Myphotonics Powermeter (Laser-Leistungsmessgerät)

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Was ist das?

Mit einem Laser-Leistungsmessgerät (Powermeter) ist es möglich, die ausgestrahlte Lichtleistung eines Lasers zu messen. Das myphotonics Powermeter kann in Verbindung mit dem dazugehörigen myphotonics Messkopf (Abb. 1) elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 405nm (blau) und 785nm (nahes Infrarot) überprüfen. Zum Vergleich: Für das menschliche Auge sind Wellenlängen zwischen 380nm und 780nm sichtbar.

Nach der „Richtlinie zur Sicherheit im Unterricht“, die auf der Kultusministerkonferenz am 26.02.2016 beschlossen wurde, darf eine kurzzeitige Bestrahlung des Auges (<0,25s) keine langfristigen Folgen hervorrufen. Dafür darf ein Laserpointer, der mit Sammellinsen betrieben wird, maximal der Laserklasse 2 angehören und höchstens eine Leistung von P = 1mW emittieren [1]. Mit dem myphotonics Powermeter kann die Leistung [2] eines Lasers bestimmt und somit das Gefährdungspotenzial eingeschätzt werden.

[1] Kultusministerkonferenz. Richtlinie zur Sicherheit im Unterricht. 26.02.2016. S.63f. ,S. 223-225

[2] Leistung: Quotient aus Energie und der dafür benötigten Zeit: P = E / t , Einheiten: [ W ]=[ J / s ]

Step 1: Bau Der Hardware

Das Innere des myphotonics Powermeters besteht aus dem myphotometrics Leistungsmessgerät, welches den myphotometrics Photodiodenverstärker in Verbindung mit einen Arduino Nano, einem Display und einen Controllerstick bringt.
Der Bau der Hardware wird im folgenden Instructable gezeigt:

Link: myphotometrics

Wie funktioniert das?

Wenn Licht auf eine Photodiode fällt, wird eine Spannung erzeugt, sodass ein Strom fließen kann. Die Stromstärke, die hier im nA-Bereich liegt und sich proportional zur eingestrahlten Lichtleistung verhält, wird vom Powermeter gemessen. Mithilfe eines Umrechnungsfaktors, der nach der Kalibrierung mit einem professionellem Leistungsmessgerät [3] hervorging, kann der gemessene Strom in eine Lichtleistungsangabe umgerechnet werden. Die Kosten einer Photodiode sind grundsätzlich von der Größe der Sensorfläche, der spektralen Empfindlichkeit und dem Rauschverhalten abhängig. Um die Kosten sehr gering zu halten (Stückpreis: 0,60€), wurde eine Diode verwendet, die eine sehr kleine Sensorfläche besitzt (1mm x 1mm). Abb. 2 zeigt die spektrale Empfindlichkeit der verwendeten Photodiode SFH 203 P [4]. Es ist zu erkennen, dass die Empfindlichkeit im sichtbaren Bereich (zwischen 400nm und 800nm) monoton ansteigt. Im Vergleich zum blauen Spektralbereich (400nm) wird im nahen Infraroten (800nm) folglich ein höherer Photostrom bei gleicher Eingangsleistung induziert. In diesem Fall entspricht aber ein Anstieg des Photostroms keiner Zunahme der Laserleistung (konstant). Somit wird bei jeder Wellenlänge ein anderer Umrechnungsfaktor benötigt.

Bei der Kalibrierung wurden Laser mit den Wellenlängen 405nm, 450nm, 488nm, 532nm, 568nm, 632nm, 670nm, 785nm verwendet.

Zur Bestimmung der Laserleistung muss zunächst die zu messende Wellenlänge in der Software ausgewählt werden, wodurch der Umrechnungsfaktor angepasst wird. Dieses hat keinen Einfluss auf die erzeugte Stromstärke in der Photodiode, sondern ändert lediglich den Faktor, sodass nicht auf das Spektrum einer Lichtquelle geschlossen werden kann. Hierbei ist es unerheblich, ob die Lichtquelle eine Wellenlänge (Laser) oder mehrere (Glühlampe) aussendet. Um den Einfluss von Umgebungslicht zu minimieren, sollte eine Messung möglichst in einem abgedunkeltem Raum stattfinden.

[3] Coherent Fieldmaster GS, Messkopf: LM-2 VIS

[4] Entnommen aus dem Datenblatt zur Diode des Herstellers. (www.osram-os.com) Stand: 17.08.2016

Step 2: Bau Des Gehäuses Aus LEGO®-Bausteinen

Bauanleitung Gehäuse:
Im Anhang ist eine Bauanleitung mit Teileliste von dem Gehäuse aus LEGO®-Bausteinen zu finden. Die Teile können bei diversen Online-Einzelteileshops wie brick-box, brick-shop oder bricklink bestellt werden.

Das Gehäuse wurde so entworfen, dass zusätzlich zu der Hardware (siehe Step 1) noch ein Ein-/Ausschalter einschließlich Adapter Platz finden.

Schalter:

Im Inneren befindet sich ein Schalter der Firma Reichelt: Reichelt T 217

Dieser ist nicht zwingend erforderlich, erleichtert jedoch das schnelle Ein-/Ausschalten.

3D-Druck Schalter Adapter:

Der Adapter ermöglicht, den genannten Schalter auf dem LEGO®-Raster zu platzieren. Die .STL-Datei kann hier runtergeladen und der Druck bei einem 3D-Druck-Service wie trinckle, i.materialise, fabb-it oder rapidobject bestellt werden.

Step 3: Bau Des Myphotonics Messkopfs

Bauanleitung Messkopf:
Im Anhang ist eine Bauanleitung für den myphotonics Messkopf aus LEGO®-Bausteinen zu finden. Die Teile können bei diversen Online-Einzelteileshops wie brick-box, brick-shop oder bricklink bestellt werden.

Photodiode:

Als Photodiode wurde das Modell SFH 203 P der Firma OSRAM gewählt. Diese wurde mit einem Coaxial-Kabel verbunden und kann über eine SMA-Buchse an das Powermeter angeschlossen werden.

Eine genaue Anleitung für das Löten der Diode ist in Step 6 dieses Instructables zu finden: myphotometrics

Wie wird gemessen?

Der Messkopf des Powermeters beinhaltet die Diode, die am oberen Rand des sphärenartigen Inneren (weiß) befestigt wird. Der gesamte Messkopf wird mit schwarzen Steinen ummantelt, um ein Eindringen von Umgebungsstrahlung durch die Außenwand zu minimieren. Es gibt zwei Gründe, die die Verwendung einer solchen Sphäre erfordern:

1. Zum einen ist die Detektorfläche mit 1mm² deutlich zu klein, um einen handelsüblichen Laserpointer detektieren zu können. So könnten zum Beispiel nur Laser mit einem Strahldruchmesser von max. 1mm gemessen werden. Größere Durchmesser hätten eine Überstrahlung zur Folge, sodass nicht die gesamte Leistung erfasst werden würde. Die Sphäre hingegen besitzt ein Eintrittsloch, welches durch ein LEGO®-Loch gebildet wird und einen Strahl mit bis zu einem Durchmesser von 4,8mm passieren lässt.
2. Zum anderen ist die Stromstärke innerhalb der Diode bei direkter Bestrahlung sehr schnell gesättigt (Übersteuerung), da die Intensität [5] eines handelsüblichen Laserpointers bereits zu groß ist. Eine weitere Intensitätserhöhung könnte nicht detektiert werden. Nach Eintritt in den Messkopf verteilt sich die gesamte Lichtleistung aufgrund von diffusen Mehrfachreflexionen (Streuung) auf die gesamte Innenfläche der Sphäre. Die Intensität nimmt somit aufgrund von der Vergrößerung der bestrahlten Fläche deutlich ab. Dadurch verringert sich auch die erzeugte Stromstärke und es ergibt sich die Möglichkeit, Laser bis zu einer Leistung von 25mW messen zu können.

[5] Intensität: Quotient aus Leistung und der bestrahlten Fläche: I = P / A = E / (A ∗ t) , Einheiten: [ W / m² ] = [ J / (m² * s) ]