Misuratore di potenza ottica, idee costruttive

[boiler]

La forma della curva può variare di parecchio tra modelli diversi di fotodiodo e di poco tra diversi wafer dello stesso.

Possibile (probabile!) che questa non sia la soluzione migliore, ma è l'unica che può essere usata senza calibrazione, un'impresa che in casa è praticamente impossibile. In realtà è facile costruirsi un piccolo bolometro, ma senza calibrazione è un generatore di numeri casuali...

Per i filtri neutri non vedo problemi: da Thorlabs con meno di 30 euro ti porti a casa un OD 8.0
Se non basta quello, mi farei delle domande sul tipo di laser

Boiler

[elfo]

Premessa: ha gia' risposto boiler a tutto!

Rispondo prima alle domande di thunderbolt128 e mpar85 :

quindi l'incertezza del valore "tipico" non riuscirebbe a fornire una misura minimamente affidabile? Parlo di errori del 10-15

sarebbe abbastanza interessante sapere se, la curva dai valori "tipici", sia semplicemente traslata di poco sul piano cartesiano ma mantenga la stessa forma, oppure se possa avere una forma anche lievemente diversa

Risposta breve: non lo so
Risposta lunga: non lo so ma provate a guardare per capire i problemi della taratura ad es:

- https://gentec-eo.com/Content/downloads ... ectors.pdf

- https://gentec-eo.com/Content/downloads ... ficate.pdf

***** Capitolo attenuatore

E' certamente possibile utilizzare un filtro neutro come ha ben indicato boiler.

Per fare una valutazione dell'attenuazione necessaria occorre decidere la potenza max che vogliamo misurare.

Poniamo di scegliere 10 W con una sezione del fascio laser di 1 mm2

Come avevamo visto precedentemente, con il fotodiodo (PD) scelto da thunderbolt128, la potenza max incidente sul PD sara' di 100 uW da cui 10 W / 100 uW = 10^5 cioe' occorre un filtro con densita' ottica 5.

Un metodo alternativo (e complementare) e' quello di "spandere" la luce incidente su tutta la superficie del diodo "gudagnando" cosi' un fattore dipendente dal rapporto tra l'area sensibile del fotodiodo e la sezione del fascio incidente. Nel nostro caso il guadagno e' 100 (1 cm2 / 1 mm2)
Questo puo' essere realizzato con un tubo posto davanti al fotodiodo in cui sono inseriti alternativamente dei vetri opalini e dei diaframmi.

Nelle foto e nel disegno seguenti e' rappresentato questo tipo di attenuatore che nel caso specifico attenua circa 10^5

fotodiodo montato su un contenitore: l'elemento sensibile e' il quadrato al centro del foro

attenuatore visto di fronte (vetro opalino)

png attenuatore visto dal fondo (e' visibile un diaframma): questo lato viene avvitato sul contenitore di fig 1.png

Prosegue nel prox post

[elfo]

continua dal post prececente

schizzo meccanico dell'attenuatore

E' da notare che la taratura dell'attenuatore (qualunque sia il tipo - filtro neutro o "vetro opalino" - puo' essere fatta utilizzando il fotodiodo stesso misurando lo stesso fascio laser con e senza attenuatore, in quanto il range dinamico del fotodiodo (come vedremo dopo va oltre 6 ordini di grandezza) e' superiore ai cinque ordini di grandezza dell'attenuatore.

Il vetro opalino puo' essere un comume vetro smerigliato fatto tmolare dal vetraio sotto casa

L'idea (risale alla fine degli anni '70) e' presa da (sono lo stesso oggetto):

- http://www.brltest.com/pdf/2684.pdf (l'attenuatore e' il "maritozzo" a dx nella foto)
- http://www.metax.co.uk/pdf_files/Misc/EG&G%20460.pdf (e' il data sheet originale della EG&G in cui non e' riportata la foto dell'attenuatore ma c'e' la tabella della "Accuracy" con / senza attenuatore).

Per le caratteristiche di un misuratore di potenza laser a fotodiodo commerciale con / senza attenuatore guarda:

- http://www.ophiropt.com/laser--measurem ... 300-TP.pdf
guarda le caratteristiche del TP300-TP (quello piu' a dx)

- https://www.gentec-eo.com/products/phot ... H-B#202820

- http://www.coherent.com/products/index. ... tes&ID=704

- cerca su google "laser power meter" (senza virgolette)

***** Capitolo circuito transimpedenza

Consideriamo l'Application Report indicato da boiler:

http://www.ti.com/lit/an/sboa055a/sboa055a.pdf

Prendiamo la Fig 2

La prima cosa da considerare e' che il "noise gain" cioe' "the noninverting closed-loop gain (guadagno ad anello chiuso non invertente)" del circuito comincia a salire a partire dalla frequenza:

Fz = 1 /(2* pi * Rf * Cd)

Posto Rf << Rd e Cf << Cd

Cioe' a partire dalla frequenza Fz il rumore dell'amplificatore "vede" (viene amplificato con) un guadagno superiore a quello del segnale del fotodiodo e questo puo' portare il circuito ad oscillare.

La formula 8 dell' Application Report qui sopra ti permette di calcolare la capacita' Cf per mantere la stabilita' nel circuito dove Rf e Cd sono quelli di Fig 2 e GBw e' il prodotto banda guadagno dell'operazionale.

C'e' pero' un ulteriore parametro da considerare.

Noi vogliamo misurare la potenza di un laser "in continua" e quindi la banda di misura richiesta e' molto bassa (tipicamente pochi Hz).
Per questo motivo conviene aumentare la capacita Cf in modo da ridurre la banda del circuito e quindi il rumore totale.

Nella tabellina che segue sono riportati i valori di Fz, Cf, Cf(10Hz) in funzione di Rf (da 10 kohm a 1 GOhm) - valori calcolati secondo la formula 8 dell' Application Report

assumendo

- Cd = 10 nF (la resistenza Rd 200 MOhm viene considerata trascurabile - anche se per valori di Rf 100 MOhm e 1 GOhm non lo e')

- GBw = 100 kHz (l'operazionale scelto e' LMC6062)

La capacita' Cf(10Hz) e' il valore necessario per ridurre la banda a 10 Hz e come si vede e' molto maggiore di quella necessaria per rendere stabile il circuito.

i valori di Fz, Cf, Cf(10Hz) in funzione di Rf (da 10 kohm a 1 GOhm)

5.png (4.68 KiB) Osservato 3695 volte

***** Simulatore on-line

La Analog Devices mette a disposizione on-line un

Photodiode Circuit Design Wizard

http://www.analog.com/designtools/en/photodiode/

che ti permette di calcolare un circuito con topologia analoga a quella descritta sopra.
Giocandoci un po' ti accorgi che non permette di inserire i parametri che a noi interessano (a es - ma non solo - la frequenza minima superiore impostabile e' 1 kHz (mentre noi abbiamo scelto 10 Hz) ma in ogni cso ti aiuta a capire meglio il funzionamento del circuito

***** Considerazioni varie:

- data una condizione di misura (potenza sul diodo / corrente in uscita al diodo) conviene utilizzare una resistenza Rf con il valore piu' grosso possibile per massimizzare il rapporto segnale / rumore (il segnale cresce linearmente con il valore di Rf, il rumore cresce con la radice quadrata di Rf)

- l'operazionale scelto e' LMC6062 che ha una corrente di polarizzazione Tipica di 10 fA che ben si "accoppia" con il NEP del fotodiodo

- per capacita' Cf (10 Hz) maggiori di circa 100 pF e' necessario mettere in serie alla capacita' una resistenza di pochi kohm perche' l'operazionale non sopporta carichi (fortemente) capacitivi

- anche se la tabellina riporta valori di Cf (10 Hz) oltre 100 nF non e' necessario in ogni caso montare valori molto superiori a qualche decina di nF (in queste scale il segnale e' grosso e non ci sono problemi di rumore & banda)

- nella costruzione dello strumento occorre curare molto l'isolamento nella zona di ingresso dell'operazionale / uscita del fotodiodo in quanto ;le correnti sono "misere" pA e inferiori. La soluzione migliore per una realizzazione "casalinga" e' fare un cablaggio "in aria" senza contatto con la basetta

***** Capitolo "alternativo"

In alternativa al circuito di cui sopra ci sono almeno altre due possibilita':

- ADL5304 segnalato da boiler

- un Voltage to Frequency converter con sufficiente range dinamico > 10^6

Queste soluzioni ti permettono di avere una sola scala di misura (non devi cambiare range allo strumento - ne' in automatico ne' tanto meno in manuale.

La "precisione" di queste tecniche non e' massima ma tieni presente che in questo tipo di strumenti e' piu' importante il range dinamico che la "precisione" (precisione e' tra virgolette perche' il termine e' usato in modo improprio. ma giusto per esemplificare)


***** Capitolo sensore termico / bolometro

Nei siti che ti ho indicato per i photodetector e i "laser power meter" trovi anche misuratori termici con le loro caratteristiche - puoi provare a dargli un'occhiata.

Tu hai accennato alla possibilita' di utilizzare una cella Peltier: non conosco applicazioni di questo genere.
Mi puoi, per favore, inviare qualche info al riguardo?

Riguardo ad una superficie con assorbimento "piatto" in funzione della lunghezza d'onda "probabilmente" una superficie anodizzata nera funziona abbastanza bene. Gaurda nei vari siti, specialmente quello della Gentec - dovrebbe esserci qualcosa al riguardo

Riguardo infine l'eventuale taratura di un rilevatore termico, un power meter di questa categoria aveva un'opzione di ricalibrazione sul campo. Non so quanto sia replicabile in casa.

In ogni caso quello del sensore termico e' tutto un altro capitolo che, se sei interssato, richiede una puntata completamente nuova.

[thunderbolt128]

Cos'altro poter dire se non grazie alle risposte super complete che mi avete dato. Ho ragionato molto, e la parte dell'attenuatore è qualcosa che mi incuriosisce molto da realizzare.

Preso in considerazione il costo del fotodiodo, presa in considerazione questa maledetta curva di cui ha parlato boiler di cui appunto non conosceremo mai l'esatta forma ho trovato un prodotto finito che è praticamente ciò che mi aspetterei di ottenere:
http://www.ebay.it/itm/262503059311?_tr ... EBIDX%3AIT
Vedo comunque che la tabella A/W di correzione ha pochissimi valori e che, per piccole variazioni di lunghezza d'onda, vi sono enormi variazioni del numero di correzione. Pensate, mi lascia perplesso persino un prodotto già finito

elfo, mi chiedevi, se ho capito bene, delle informazioni sulla misurazione di potenze ottiche con celle di peltier? Posso mandarti dei link che mostrano alcuni progetti realizzati a scopo hobbystico:
http://davidegironi.blogspot.it/2014/07 ... meter.html
http://laserpointerforums.com/f42/my-di ... 64947.html

L'idea di base è sempre quella nei vari progetti, ovvero una cella di peltier verniciata di nero che converte quindi tutte le lunghezze d'onda in calore e permette l'ottenimento di una differenza di potenziale ai capi della cella, amplificabile con un operazionale.

A proposito di quello che hai detto tu, guarda caso, ho una piastra di un dissipatore in alluminio anodizzato verniciato di nero!
Dannazione, considerando che una taratura casalinga non potrò mai farla né con un fotodiodo né con una cella di peltier, visti i costi in gioco, sto quasi quasi pensando di buttarmi sulla soluzione a cella di peltier
Senza taratura, oltre a poter fare confronti tra vari laser, è possibile usare questa soluzione per vedere fino a quanto si può "tirare per il collo" un diodo laser? (Ad esempio aumento la corrente di pilotaggio e leggo un aumento di potenza ottica, quando aumento di molto la corrente di pilotaggio ma vedo che il valore non sale più vuol dire che sono arrivato al limite di sopportazione del laser)

P.s. da Smartphone ho votato positivamente i vostri post ma poi non so se per questione di connessione internet i voti dei post sembravano come se si fossero annullati, se qualcuno ha visto accidentalmente perdere punti RP non preoccupatevi poiché da computer ho provveduto a controllare che abbia rivotato i post positivamente.

A presto.