1. Physikalische Grundlagen – was ist Licht?

Optische Sensoren / Laser Kapitel 5/5
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Im folgenden Kapitel sollen aus dem Gebiet der lichtempfindlichen Sensoren beispielhaft einzelne Sensoren
vorgestellt und Ihre Anwendung erläutert werden. In der Meß- und Automatisierungstechnik stellen die
optischen Sensoren eine der wichsten Baugruppen dar. Als Grundlagen für das folgende Kapitel sollen zu
Beginn die elementarsten optischen Zusammenhänge kurz dargestellt werden.
1. Physikalische Grundlagen – was ist Licht?
Licht zeigt eine duale Natur, es kann einerseits als Teilchen verstanden werden, andererseits lassen sich
gewisse Phänomene nur über ein Wellenbild des Lichtes erklären 1 . Ein wesentlicher Schritt zum Verständnis
des Lichtes war die Beobachtung von Interferenzphänomenen. Ähnlich den Wasserwellen 2 gehorcht auch
Licht dem Superpositionsprinzip, d.h. treffen zwei Lichtwellen gleichzeitig an einem Ort ein, so addieren
sich Ihre Einzelamplituden. Je nach Phasenlage kommt es hierbei zu konstruktiver oder destruktiver
Interferenz der einfallenden Wellenzüge. Im Extremfall können sich die Wellen auch vollständig
auslöschen.
Abb. 1.1. Ausbreitung (A) und Interferenz (B) einer transversalen Welle
Obige Abbildung veranschaulicht die Ausbreitung einer transversalen Welle (A). Die schwarzen Gebiete
stellen die Wellentäler, die weißen die Wellenberge dar. Die Wellenlänge λ ist durch den Abstand von
Wellenberg zu Wellenberg gegeben. Werden zwei identische Quellen im Abstand zueinander angeordnet zu
ergibt sich ein Interferenzmuster (B), dieses verändert sich bei Variation des Abstandes.
Die im 17. Jahrhundert von Christiaan Huygens entwickelte Wellentheorie 3 war bis ins 20. Jahrhundert die
vorherrschende Theorie zur Erklärung optischer Phänomene. Der direkte Nachweiß der elektromagnetischen
Wellen durch Heinrich Hertz im Jahr 1888 schien das endgültige Ende für die Teilchentheorie 4 zu
bedeuten. Die Newtonsche Teilchenvorstellung erlebte erst wieder im 20. Jahrhundert in abgewandelter
Form durch die Einführung der Quantentheorie durch Max Plank einen Durchbruch. Diese
Modellvorstellung besagte, daß das Licht nicht eine kontinuierliche Strahlung oder Welle darstellt sondern
aus diskreten Energiequanten besteht. Dies bedeutet, das der Energieaustausch zwischen Licht und Materie
nicht kontinuierlich sondern über diskrete Quanten erfolgt. Die Energie eines Photons berechnet sich nach
der Quantentheorie zu:
E = h ⋅ν
mit h = 6,626 10 -34 Js als Plank’sches Wirkungsquantum und υ als Frequenz.
1 Viele Prinzipien des Lichtes, bzw. der Optik waren bereits im Altertum bekannt. Hier ist vor allen der griechische
Mathematiker Euklid zu nennen, der im 3. Jahrhundert vor Christi in seinem Werk über die Optik viele Prinzipien der
geometrischen Optik die aus der geradlinigen Ausbreitung des Lichtes resultiert vorweggenommen hat. Entscheidende
Beiträge zur Entwicklung der Optik lieferte auch der griechische Mathematiker Archimedes von Syrakus.
2 Im Gegensatz zu Wasser- oder Schallwellen benötigt Licht kein Medium zur Ausbreitung.
3 Interessanter weise entwickelte Newton bereits im 17. Jahrhundert eine Teilchentheorie für das Licht. Diese konnte
aber zahlreiche Phänomene nicht hinreichen erklären.
4 Die Wellentheorie konnte jedoch Absorptions- und Emmissionsvorgänge bei Atomen nicht erklären. Im Rahmen der
klassischen Physik konnte diese Phänomene nicht erklärt werden.
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Diese Energiequanten oder Teilchen wurden von Albert Einstein später Photonen genannt und ihre
Ruhemasse 5 beträgt Null.
1.1. Entstehung oder Erzeugung von Licht
Das sichtbare Licht bildet nur einen extrem kleinen Teil des elektromagnetischen Gesamtspektrums 6 . Wenn
von Licht gesprochen wird, so ist im allgemeinen nur der, dem menschlichen Auge zugängliche (sichtbare)
Teil des Spektrum gemeint.
Abb. 1.2. Elektromagnetisches Spektrum von Audiosignalen bis zur kosmischen Strahlung
Der Zusammenhang zwischen der Wellenlänge λ der Strahlung und ihrer Frequenz f besteht über die
Lichtgeschwindigkeit c (c0 Vakuumlichtgeschwindigkeit 2,998 ˙10 8 ms -1 ).
λ =
c
f
Den Wellenlängen können Farben, die Spektralfarben, zugeordnet werden. Der Bereich des sichtbaren
Lichtes reicht von 450 nm als blau bis 630 nm als rot. Grün hat eine Wellenlänge von 530 nm. Kürzere
Wellenlängen als 400 nm sind nicht mehr sichtbar und werden als ultra-violett bezeichnet. Wellenlängen
über 780 nm sind ebenfalls nicht mehr sichtbar und werden als infra-rot bezeichnet. Noch größere
Wellenlängen werden vom menschlichen Körper als Wärme wahrgenommen.
Die Erzeugungsprozesse für elektromagnetische Strahlung unterscheiden sich je nach Frequenzbereich der
Schwingung. Für elektromagnetische Wellen im Radio- und Mikrowellenbereich werden elektrische
Schwingkreise eingesetzt. Im sichtbaren Bereich entsteht die Strahlung vorwiegend durch Emissionsprozesse
der Atome oder Molekühle. Die Anregung der Elektronen erfolgt hier in den äußeren Elektronenschalen.
Erfolgt eine Anregung der inneren Elektronenschalen so liegt die emittierte Strahlung im Röntgen oder γ
Bereich.
Die Anregung der Atome kann auch durch Temperatur erfolgen. Wie aus der tägliche Beobachtung bekannt
ist strahlen heiße Objekte und geben somit Licht ab. Umso heißer die Objekte sind umso mehr Strahlung
liegt im sichtbaren Bereich 7 . Diese Art von Strahlern nennt man Temperaturstrahler. Ihre
Strahlungsintensität steigt mit T 4 und ihr Strahlungsmaximum verschiebt sich mit fallender Temperatur zu
immer tieferen Frequenzen. Ein typischer Vertreter dieser Strahler ist die vorwiegend im infra-roten
5 Durch das von Albert Einstein gefundene Masse- Energieäquivalent der allgemeinen Relativitätstheorie ist dem
Photon jedoch eine Masse zuzuordnen. Dies führt innerhalb von Gravitationsfelder zur Ablenkung des Lichts von
seiner geradlinigen Bahn.
6 Der Bereich der elektromagnetischen Strahlung umfaßt ungefähr einen Bereich von 50 Oktaven, von diesen ist dem
menschlichen Auge nur eine einzige zugänglich. Im engeren Sinn des Wortes wird nur diese eine Oktav von 390nm ...
770nm als Licht bezeichnet.
7 Bei ungefähr 6000°C liegt das Maximum der abgegebenen Strahlung im sichtbaren Bereich. Die Sonne hat eine
Oberflächentemperatur von ~ 5800K. Das menschliche Auge hat somit seine maximale Empfindlichkeit im Bereich der
maximalen Strahlungsintensität der Sonne.
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strahlende Glühbirne. Der Glühdraht (doppelte Wolframwendel) wird bei der Glühbirne bis auf ~2000°C
aufgeheizt und zeigt sein Strahlungsmaximum somit im nahen
Infra-rot.
Die genaue Spektralverteilung der Temperaturstrahler ist mit der
klassischen Physik nicht berechenbar. Erst Max Plank konnte mit
Hilfe der Quantentheorie für dieses Problem eine Lösung finden.
Abb. 1.3. Spektrum des Temperaturstrahlers – Grau: Sichtbare Bereich.
Zusammenfassen läßt sich festhalten, jeder Körper dessen Oberflächentemperatur über dem absoluten
Nullpunkt liegt gibt an seine Umgebung Strahlung ab. Die Stärke der Strahlung und das Intensitätsmaximum
läßt sich nur über die Quantentheorie berechnen. Die Emission und Absorption von elektromagnetischer
Strahlung (Licht) erfolgt im Atom immer durch Quantensprünge. Die Strahlungsemission im Atom ist im
allgemeinen ein spontaner 8 Prozeß.
Im Bereich der Sensorik werden im allgemeinen breitbandige Lichtquellen (überdecken den gesamten
sichtbaren Bereich) eingesetzt. Eine Ausnahme bilden hier Laserquellen, diese sind extrem schmalbandig
(emittieren auf einer oder mehrerer Linien) und können somit über ihre Wellenlänge charakterisiert werden.
Wird der Bereich des Spektrums um das sichtbare Licht 9 gedehnt so ergibt sich folgendes Bild.
Abb. 1.4. Elektromagnetisches Spektrum in der Umgebung des sichtbaren Lichtes.
Im allgemeinen wird im Rahmen der Optik zwischen den absoluten Strahlungsgrößen (Index E) die, die
Eigenschaften des Strahlungsfeldes objektiv wiedergeben und den auf die Empfindlichkeit des menschlichen
Auges angepaßten photometrischen Größen unterschieden. Die von der Oberfläche des strahlenden Körpers
ausgehende Energie wird mit WE bezeichnet. Die abgestrahlte oder aufgenommene Leistung ergibt sich als
Strahlungsfluß ΦE.
8 Der Prozeß heißt spontan, da es sich nicht vorhersagen läßt , wann die Emission erfolgen wird. Es lassen sich
lediglich mittlere Verweilzeiten in einem Angeregten Zustand angeben.
9 Das Spektrum des sichtbaren Lichtes umfaßt den Bereich von 660nm (Rot) bis 420nm (Violett) mit 540nm als Grün.
Im allgemeinen wird nicht die Frequenz des Lichtes angegeben sondern dessen Wellenlänge. Der Bereich des
sichtbaren Lichtes liegt bei 600 ... 800THz.
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W E
Φ E =
t
mit t als der Zeit.
Die auf eine Empfängerfläche bezogene eingestrahlte Leistung nennt man Bestrahlungsstärke EE.
E
Φ
E
E = mit AE als strahlungsselektive Fläche des Empfängers in m
AE
2 .
Werden photometrische 10 Größen verwendet so müssen diese über die
wellenlängenabhängige Helligkeitsempfindung V(λ) des menschlichen
Auges umgerechnet werden. Diese errechnet sich aus dem Quotient der
physiologischen Größe Lichtstrom L und der physikalischen Größe
Strahlungsfluß ΦE und erreicht bei 555nm (grün) ihren Maximalwert. Dieser
entspricht absolut einem Wert von 680 Lumen/Watt. Für alle anderen
Wellenlängen entspricht ein Strahlungsfluß von 1W einem Lichtstrom
kleiner als 680 Lumen. Eine Übersicht über Strahlungs- und photometrische Größen gibt folgende Tabelle:
2. Optische Sensoren
Abb. 1.5. Physikalische Strahlungsgrößen – physiologische Größen (Fotometrie).
Optische Halbleitersensoren stellen ein immer wichtiger werdendes Segment innerhalb der Sensorik dar. In
viele Fällen werden optischer Sensor und Auswerteelektronik auf einem Chip integriert. Die Sensoren
werden in verschiedene Wirkprinzipien eingeteilt und detektieren je nach spektraler Empfindlichkeit eine
Quelle vom infrarotem (IR) bis ultravioletten (UV) Bereich. Am weitesten verbreitet als Basismaterial für die
Fertigung optischer Sensoren ist Si 11 aber auch andere Halbleitermaterialien wie GaAs haben in der Sensorik
große Bedeutung.
2.1. Photowiderstände
Viele Materialien zeigen einen mit der Beleuchtungsstärke variierenden ohmschen Widerstand 12 . Für
Fotowiderstände (Fotoleiter) werden Materialien mit möglichst kleinem Bandabstand gewählt (CdS oder
10 In der Fotometrie wird das Licht nicht nach seiner Energie oder Leistung bewertet, sondern die
Helligkeitsempfindung des menschlichen Auges zugrunde gelegt. Diese ist aber stark wellenlängenabhängig.
11 Der Bandabstand beträgt für Si ~1 eV. Für Anwendungen bei langwellige IR Strahlung kann Si auf Grund seines
großen Bandabstandes nicht angewendet werden. Es muß hier auf andere Halbleitermaterialien mit geringerem
Bandabstand ausgewichen werden.
12 Die Theorie hinter diesem Effekt ist, das alle diese Materialien halbleitend sind und durch die eingestrahlte Energie
Elektron Loch Paare generiert werden die für den Stromtransport zur Verfügung stehen. Auf Grund der
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PbSe). Auf Grund der durch die Einstrahlung der Lichtquanten erzeugten Ladungsträger fällt 13 bei allen
photoempfindlichen Materialien der Ohmsche Widerstand stets mit der Beleuchtungsstärke.
Die meist verbreitetste Form der photoleitenden Zelle ist die CdS Zelle. Diese wird oft auch als LDR (Light
Dependend Resistor) bezeichnet. Um die Zelle gegen Umgebungseinflüsse zu isolieren wird diese stets in
transparenten Kunststoff eingegossen.
Abb. 2.1. LDR Prinzipieller Aufbau (A), Kennlinie (B) und Bauform mit Symbol (C).
Die Zellen sind sowohl mechanisch als auch elektrisch sehr widerstandsfähig. Die elektrische Verlustleistung
PV liegt im Bereich bis 500mW. Die Widerstandsschicht wird zur Erhöhung des ohmschen Widerstands in
Mäanderform aufgebracht. Der Dunkelwert des Widerstands liegt typ. Weise im Bereich 10MΩ und fällt bei
Beleuchtung auf einige Ohm (50Ω ... 1k). Der Widerstandsverlauf ist stark nicht linear.
Abb. 2.2. Daten eines typ. LDRs – ORP 12 (A), Anwendungsschaltung (B).
Die Ansprechzeiten von Photowiderständen liegen im Bereich von einigen 100ms. Diese langen
Ansprechzeiten verhindern einen sinnvollen Einsatz bei jeder Art von Signalübertragung.
Hauptanwendungen von LDRs liegen im Bereich der Brandmeldetechnik. LDRs können auch, auf Grund
ihrer Widerstandsnatur, direkt mit Wechselspannung betrieben werden. Es bieten sich hierdurch sehr
einfache und kostengünstige Möglichkeiten von netzbetriebenen Sensoren im Bereich des Brandschutzes an.
Für weiter Information über Photowiderstände siehe auch:
Absoptionskante ist ein gewisses Maß an Energie notwendig um dieses Elektron Loch Paar zu erzeugen. Liegt die
Energie unterhalb der Absorptionskante so erhöht sich die Leitfähigkeit des Materials nicht (kann zu Schwierigkeiten
der Detektion im langwelligen IR führen).
13 Die eingestrahlten Lichtquanten erzeugen Elektron Loch Paare die, die Leitfähigkeit des Materials erhöhen. Dieser
Mechanismus existiert bei allen phototsensitive Bauelementen – es gibt deshalb auch keine Sensoren deren
Leitfähigkeit mit steigen Strahlungsintensität abnimmt.
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http://www.epemag.com/passives.pdf
http://www.techitoutuk.com/Contents/electronics/pdf/ORP12%2058-0132.pdf
2.2. Si Photodiode, Phototransistor
Im Gegensatz zum Photowiderstand fällt bei der Photodiode das einfallende Licht auf einen in Sperrichtung
gepolten (vorgespannten) PN Übergang. Durch das einfallende Licht werden wieder Elektron Loch Paare
erzeugt die zu einem Sperrstrom führen. Dieser Sperrstrom ist über eine Bereich von über 8
Zehnerpotenzen linear zum einfallenden Lichtstrom. Der Sperrstrom liegt, je nach einfallenden Licht in der
Größenordnung von pA bis mA. Der Sperrstrom der bei völlig abgedunkelter Photodiode fließt wird als
Dunkelstrom 14 bezeichnet.
Gegenüber Photowiderständen weisen Si Photodioden wesentlich kürzere Schaltzeiten (200ns ... 1,5µs) auf,
die eine Detektion von Signalfrequenzen bis in den Videobereich 15 erlauben (50MHz). Die Empfindlichkeit
liegt im Bereich von 20 ... 200 nA/lx.
Abb. 2.3. Aufbau und Kennlinie einer Fotodiode (A), Prinzip Fototransistor (B), lateral Photodiode (C).
Bei Phototransistoren ist der Basis Emitter Übergang als strahlungsempfindliche Diode ausgeführt.
Phototransitoren zeigen eine um einen Faktor 10 3 erhöhte Empfindlichkeit (1µA/lx), aber auch wesentlich
länger Schaltzeiten.
Interessante Anwendungen ergeben sich aus lateralen Photodioden. Diese könne als Positionssensor zur
Erfassung der geometrischen Lage x eines Lichtpunktes verwendet werden. Je nach Lage x des Lichtpunktes
verteilt sich der induzierte Photostrom proportional auf die beiden Photodioden. Diese Bauform kann als
Alternative zu Photodiodenarrays verwendet werden und es können ohne Probleme Auflösungen im Sub µ
Bereich erreicht werden. Die Lateraldioden sind nicht nur auf den Einsatz in einer Dimension begrenzt, das
Funktionsprinzip läßt sich auch auf zwei Dimensionen anwenden. Anwendungsbereiche sind der
Werkzeugmaschinenbau und die Präzisionsmeßtechnik.
14 Der Dunkelstrom liegt je nach Bauart im Bereich fA bis pA und ist ein Fehlgröße. Der Dunkelstrom ist weiters noch
von der Vorspannung (Sperrspannung) der Photodiode abhängig und steigt mit steigender Sperrspannung auf Grund
von Stoßionisation im PN Übergang. Der geringste Dunkelstrom ergibt sich hiermit bei Betrieb der Photodiode im
virtuellen Nullpunkt (US = 0).
15 Wesentlich kürzere Schaltzeiten lassen sich mit PIN Dioden erreichen. Hier wird innerhalb des PN Überganges noch
eine intrinsische (eigenleitende) Schicht eingebaut. Dies vermindert die Sperrschichtkapazität wesentlich und gestattet
Signalfrequenzen bis in den GHZ Bereich (Telekom und optische Datenübertragung).
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Abb. 2.4. Schaltungstechnik für Fotodiode ohne (A), mit Sperrspannung (B), Präzisionsaufbau mit Guarding (C).
Obige Abbildung illustriert drei Möglichkeiten zur Beschaltung von Photodioden. Im Fall (A) wird die
Photodiode ohne Sperrspannung betrieben und es ergibt sich hierdurch der maximal kleinste Sperr- oder
Dunkelstrom, weiters ist das Rauschverhalten der Photodiode minimal. Durch den Betrieb der Diode mit
Sperrspannung (B) wird die Sperrschichtkapazität CS verkleinert und hierdurch die nutzbare Bandbreite
vergrößert. Für die Photodiode kann allgemein folgendes Ersatzschaltbild 16 verwendet werden:
Abb. 2.5. Ersatzschaltbild für Photodioden.
Die Kleinheit der Photoströme (einige zehn fA bis zu einige µA) bedingt layoutmäßige Schwierigkeiten
durch Kriechströme (diese können ohne weitere Vorsichtsmaßnahmen um einige Zehnerpotenzen größer sein
als der Photostrom). Der einfachste Weg dies zu umgehen besteht in der Möglichkeit um die beiden
Eingänge des OPVs und die Photodiode selbst ein Schutzring – Guard ring – zu legen (Leiterschleife die
mit dem Bezugspotential – typ. GND verbunden ist). Eine Schaltungsentwurf mit Kompensation der
Biasströme und guarding zeigt (C). Über den Schalter S sind verschiedene Verstärkungen einstellbar.
Auf Grund der immensen Variation des Photostromes 17 (bis zu 9 Zehnerpotenzen) wird die Ausgangsgröße
des OPVs oft logarithmiert. Dies kann durch Verwendung einer Diode oder eines Transistors im
Gegenkopplungszweig einfachst erreicht werden (Siehe auch Meßtechnik – Logarithmierer).
2.3. Bildsensoren
Werden mehrere Photodioden (Pixel – Picture x Elements) auf einem Chip in matrixform intergriert so
spricht man von Bildsensoren. Werden diese Bildelemente mit Hilfe von ladungsgekoppelten Baugruppen
16 Der innere Shuntwiderstand RS der Photodiode weist im allgemeine Wert von einige zehn GΩ auf. Die
Sperrschichtkapazität liegt im Bereich einiger pF (10 .. 50pF) kann aber durch die Wahl einer Sperrspannung im
Bereich 5V ... 20V noch wesentlich verkleinert werden. RB ist im allgemeinen bedeutungslos.
17 Ist es notwendig das Rauchverhalten und den Dunkelstrom zu minimieren so kann die Photodiode auch durch den
Einsatz von Peltierelementen gekühlt werden. Dies findet vor allem in der Astronomie in Zusammenhang mit
Bildaufnehmern (CCDs) oft Anwendung
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ausgelesen so werden diese als CCD (Charged Coupled Devices) bezeichnet. Die Umsetzung des
Photonenstromes in elektrische Ladungsträger kann wieder über PN Übergänge – Photodioden oder über
Photokapazitäten erfolgen.
Abb. 2.6. Aufbau eines Pixels über Photodiode (A) oder Photokapazität (B).
Die durch den Lichteinfall induzierten Elektron Loch Paare werden im Fall der Photodiode durch die
angelegte Sperrspannung getrennt und es entwickelt sich ein Photostrom. Dieser wird über eine gewisse
Zeitspanne in einer Kapazität aufintegriert – gespeichert um die Empfindlichkeit des Sensors zu erhöhen. Im
Falle der Photokapazität wird durch die positive Gatespannung eine Inversionsschicht erzeugt. Durch das
elektrische Feld innerhalb dieser Inversionschicht werden die Ladungsträger ebenfalls getrennt und innerhalb
der Schicht – Photokapazität gespeichert.
Die lichtinduzierten Ladungsmengen werden entweder durch zeilen- und spaltenweises adressieren oder über
CCD Ketten ausgelesen. Typische Größen für CCD Bildsensoren liegen im Bereich 1024 x 1024 bis zu
7168 x 9216 Pixel (66 Mega Pixel).
Abb. 2.7. Aufbau eines Bildsensors – Pixelweise Addressierung (A) oder CCD Elemente (B).
Das Auslesen der Matrixstruktur kann einerseits über zeilen- und spaltenweise Addressierung erfolgen oder
die Bildinformation wird zeilenweise aus dem Array geschoben – analoges Schieberegister (CCD).
Beim CCD werden die, in den einzelnen Photokapazitäten gespeicherten Ladungsmengen pro Taktimpuls
um eine Stelle im Array weiter geschoben. Ausgangsseitig ergibt sich damit ein zeitliches Abbild der
optischen Information, wobei das Ausgangssignal proportional zum einfallenden Lichtstrom ist. Die
Weiterverarbeitung kann analog oder digital erfolgen. Das Auslesen der Bildinformation erfolgt somit
zeilenweise. Nach dem Auslesen werden die einzelnen Photokapazitäten wieder gelöscht und die
Speicherung des Lichtflusses startet wieder.
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3. Laser
Die Kombination von Lichtverstärkung und stimulierter Emission von Strahlung beschreibt die beiden
Grundprinzipien des Lasers – LASER als Kunstwort steht für Light Amplification by Stimulated Emission
of Radiation. Der Laser beruht auf dem gleichen Funktionsprinzip wie der zuvor erfundene MASER 18 . Als
der Laser 1960 erfunden wurde bezeichnete man ihn als „optischen MASER“. Der Laser wirkt als Oszillator
und Verstärker für monochromatisches Licht 19 . Die ersten grundlegenden Ideen zur Erzeugung von
Laserstrahlung durch stimulierte Emission gehen auf Einstein zurück der auch die theoretischen Grundlagen
für eine stimulierte Emission durch Inversion der Besetzungswahrscheinlichkeiten der Energiezustände im
Atom beschrieb 20 .
Abb. 3.1. Spontane Emission, Absoption und stimulierte Absorption.
Der Wellenlängenbereich in dem Laserstrahlung verfügbar ist umfaßt 15 Oktaven 21 von 0,1µm bis zu rund
3mm. Die Leistungen der verschieden Laser liegen je nach Anwendungsfall im µW Bereich (CD Spieler,
Vermessung, Entfernungsbestimmung) bis zu TW (Grundlagenforschung, Fusionslaser und Materialbearbeitung).
Die Strahlung eines Laser ist meist in einem sehr engen Strahl gebündelt, der sich auf die Distanz nur äußerst
gering aufweitet 22 . Dies ist vor allem in der Kommunikations- und Vermessungstechnik von Bedeutung (Die
Aufweitung des Laserstrahles beträgt durchschnittlich auf einer Entfernung von 100m ungefähr 3cm – bei
einer Wellenlänge λ = 600nm).
Ein besonderes Kennzeichen der Laserstrahlung ist deren monochromatischer Charakter. Die im sichtbaren
Bereich liegende emittierte Strahlung zeigt Bandbreiten von 1MHz bis zu 1GHz. Die entsprechenden
Bandbreiten liegen im Bereich von 10 -6 bis 10 -9 . Laser sind somit extrem schmallbandige Resonatoren 23 .
Vergleicht man eine Laserquelle mit einer konventionellen Strahlungsquellen, so erreichen Laserquellen
enorme spektrale Leistungsdichten (durchschnittlich 10W / MHz). Einer thermische Strahlungsquelle
müßte eine Temperatur von 10 7 K aufwiesen um die gleiche spektrale Leistungsdichte zu erreichen. Ein
18
Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Die Maserstrahlung liegt als im Mikrowellenbereich
(Wellenlängen liegen im Bereich ~100µm)
19 Der erste erfolgreiche Versuch Laserstrahlung zu erzeugen wurden am 7. Juli 1960 von T. Maiman am Hughes
Laboratory in Malibu, Kalifornien durchgeführt. Als laseraktives Material setzte Maiman einen an beiden Enden
verspiegelten Rubinstab (Cr dotiertes Al2O3) ein. Die Pumpenergie lieferte eine spiralförmig um den Rubinstab
angebrachte Entladungslampe.
20 Durch stimulierte Emission sollte es möglich sein räumlich als auch zeitlich kohärente Strahlung zu erzeugen. Die
Idee war, daß ein Atom durch ein kollidierendes Photon zur Emission eines Photons angeregt werden könnte. Dieses
emittierte Photon wäre vom kollidierenden Photon nicht zu unterscheiden. (Gangunterschied der Wellen nahezu Null).
Als notwendige Voraussetzung für diese stimulierte Emission ist aber eine Inversion der Besetzungswahrscheinlichkeiten
im Lasermedium notwendig. Dies bedeutet, daß mehr Atome im angeregten Zustand als im Grundzustand
vorhanden sein müssen um die Laserreaktion auslösen zu können und die Kettenreaktion in gang zu halten.
21 Zum Vergleich das sichtbare Spektrum reicht von 370 ... 750nm – umfaßt also knapp eine Dekade.
22 Die Aufweitung des Laserstrahles erfolgt durch die unvermeidbaren Beugungseffekte in der Atmosphäre.
23 Es sind bereits Laser mit einer Bandbreite von 1Hz konstruiert worden (hochstabilisierte Gaslaser). Diese Laser
erreichen somit eine spektrale Reinheit von 10 -15 und eignen sich hervorragen als Zeit- oder Frequenznormale.
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anderes wichtiges Kennzeichen der Laserstrahlung ist der hohe Fokusierbarkeit. So gelingt es die
Laserstrahlung auf eine Fleck in der Größenordnung λ 2 zu fokusieren. Die Strahlungsintensität erreicht
hierbei Werte von bis zu 1GW/cm 2 = 10TW/m 2 . Die hierbei im Brennpunkt auftretenden elektrischen
Feldstärken liegen im Bereich 60GV/m.
Laser können einerseits im Dauerstrich betrieben werden – cw lasers – diese emittieren streng harmonische
Wellen mit konstanter Amplitude könne aber auch frequenz- (FM) als auch amplitudenmoduliert (AM)
werden.
Anderseits können Laser im Pulsbetrieb – pulsed lasers – Pulslängen von ~ 10fs 24 erzeugen und liegen somit
3 ... 4 Zehnerpotenzen unter der Ansprechzeit (response time) konventioneller industrieller Elektronik. Laser
sind somit eine völlig neuartige Strahlenquelle und emittieren monochromatische kohärente
elektromagnetischer Strahlung (sichtbares Licht).
Die prinzipielle Funktionsweise eines Rubinlaser soll anhand nachfolgender Abbildung kurz erläutert
werden. Um das lasern in Gang zu bringen müssen zwei Grundbedingungen erfüllt sein. Einerseits müssen
genug Atome im angeregten Zustand vorhanden sein (Besetzungsinversion), anderseits muß die
Wahrscheinlichkeit für stimulierte Emission hoch genug liegen (Wahrscheinlichkeit des Stoßes eines
Photons mit einem angeregten Atom). Um die Atome in einen angeregten Zustand zu versetzten muß dem
laseraktiven Medium Energie zugeführt werde. Diese Pumpenergie wird dem Rubinlaser in Form von Licht
aus einer Entladungslampe zugeführt. Die Cr Atome werden hierdurch in den angeregten Zustand –
Pumpniveau – versetzt und fallen anschließend spontan in einen metastabilen Zustand 25 (Verweilzeiten von
einigen ms) zurück.
Abb. 3.2. Prinzipieller Aufbau eines Lasers – laseraktives Medium, Spiegel und Pumpquelle.
Dieser metastabile Zustand ist der Laserausgangszustand. Sind genügen Atome im metastabilen Zustand so
kann eine Besetzungsinversion erreicht werden. Dies bedeutet, daß mehr Atome im metastabilen Niveau
vorhanden sind als im Grundzustand. Ein spontan emittiertes Photon kann jetzt eine Kettenreaktion auslösen
in deren Verlauf alle Atome aus dem metastabilen Niveau über stimulierte Emission in den Grundzustand
24 Ein Lichtpuls mit einer Dauer ∆t von 10fs hat eine Länge l von 3µm. Mit C0 = 3·10 8 m ergibt sich die Länge l zu:
8
− 15
l = c ∆ t = 3 ⋅ 10 10 ⋅ 10 = 3 µ m
0
Ein Lichtstrahl von 3µm Länge kann nicht mehr im eigentlichen Sinn des Wortes Lichtstrahl gelten, sondern sollte
besser als dünner Film elektromagnetischer Anregung bezeichnet werden (Die Zone der Anregung pflanzt sich mit
Lichtgeschwindigkeit fort). Wird das Spektrum dieses extrem kurzen Impulses betrachtet so ergibt sich durch Fourier
eine notwendige Bandbreite im Bereich von 50THz. In der Impulslänge von 3µm sind lediglich 5 optische
Wellenlängen enthalten (λ = 600nm) und die gesamte Energie des Impulses wird von den Photonen diese Pakets
transportiert.
25 Das Vorhandensein eines metastabilen Zustandes ist ein notwendige Voraussetzung für das lasern. Fallen die Atome
sofort wieder in das Ursprungsniveau zurück kann sich keine Besetzungsinversion aufbauen und auch keine
Laserfunktion auftreten.
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zurückfallen. Um die Kettenreaktion in Gang zu bringen muß die Wahrscheinlichkeit der Kollision eines
emittierten Photons mit anderen angeregten Atomen erhöht werden. Dies wird durch Spiegeln 26 erreicht, die
das emittierte Photon wieder in das laseraktive Medium zurückwerfen (fokusieren).
Abb. 3.3. Funktionsprinzip des Pumpprozesses – Besetzungsinversion.
Die emittierten Photon durchlaufen somit mehrmals des laseraktive Medium und initiieren durch Stöße mit
angeregten Atomen wieder stimulierte Enission. Diese Kettenreaktion läuft so lange, bis keine Atome mehr
im metastabilen Niveau vorhanden sind. Soll ein kontinuierlicher Laserbetrieb erreicht werden, so muß durch
Pumpen die Besetzungswahrscheinlichkeit des metastabilen Niveaus konstant gehalten werden 27 .
Einer der beiden Spiegeln – der Auskoppelspiegel – ist teildurchlässig um die Laserstrahlung auszukoppeln.
Der Laser besteht somit aus vier grundlegenden Einheiten:
● Energieversorgung – Im allgemeinen eine elektronisches Netzteil für die Versorgung der
Entladungslampen. Bei Halbleterlaser einfach eine Spannungsquelle.
● Pumpeinheit – Diese führt dem laseraktiven Medium die Energie zu, die notwendig ist um die
Atome in das Laserausgangsniveau zu heben. Laser können optisch, über HF Strahlung oder direkt
über einen pn Übergang gepumpt werden.
● Laseraktives Medium – Das Medium das die Laserstrahlung durch stimulierte Übergänge erzeugt.
Notwendig ist das Vorhandensein eines meatstabilen Zustandes als Laserausgangsniveau. Das
Lasermedien kann fest (Rubin, Halbleiter), flüssig oder gasförmig 28 (He-Ne, CO2) sein.
● Optischer Resonator – Optischer Resonator in dem das laseraktive Medium eingeschlossen ist.
Besteht aus zwei Spiegeln von denen einer im allgemeinen teildurchlässig (zur Auskopplung der
Laserstrahlung) ist.
Laserstrahlung unterscheiden sich von der Strahlung thermischer Quellen durch ihr hohes Maß an
Kohärenz 29 . Werden die Strahlen einer kohärenten Quelle gespalten und anschließend mit einem gewissen
26 Der einfachste Laserresonator besteht aus dem laseraktiven Medium und zwei planparallelen Spiegeln (Fabry Perot
Typ). Es sind aber auch andere Spiegelgeometrien gebräuchlich.
27
Auf Grund der Art der Zufuhr der Pumpenergie über Licht wird der Rubinlaser auch als optisch gepumpter Laser
bezeichnet.
28
Der am weitesten verbreitetste Lasertype ist der He-Ne Laser für Leistungen im Bereich einiger mW. Standardlaser
in der Vermessung und Positionsbestimmung (Laserpistolen). In der Materialbearbeitung wird vorwiegend der CO2
Laser im Bereich einiger 100W eingesetzt.
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Laufzeitunterschied wieder überlagert so zeigen sich typische Interferenzmuster. Als Kohärenzlänge
bezeichnet man die maximale Weglängendifferenz zwischen den beiden Strahlen, bei der noch die
Interferenzmuster zu beobachten sind.
Abb. 3.4. Angeregtes Atomsystem (AS) bei spontaner (oben) und stimulierter Emission (unten) – Besetzungsinversion.
1. Halbleiterlaser
Halbleiterlaser sind Festkörperlaser als laseraktives Medium wird ein Halbleiterkristall verwendet. Erste
Realisierungen gehen auf das Jahr 1962 zurück und haben heute durch Fortschritte in der
Halbleitertechnologie immer mehr an Bedeutung erlangt (CD Player, Laserdrucker, Telekommunikation –
optische Glasfasernetzte, Vermessung, Bar Code Scanner und IR Beobachtungsgeräte). Halbleiterlaser sind
sowohl für den kontinuierlichen als auch gepulsten Betrieb verfügbar. Je nach verwendetem Halbleiter liegt
die emittierte Strahlung im UV bis zum IR (320nm ... 32µm).
Halbleiterlaser unterscheiden sich nicht entscheidend von Leuchtdioden, haben aber planparallele
Schnittflächen die verspiegelt sind und somit den optischen Resonator bilden. Im Halbleiterlaser wird die
Besetzungsinversion durch Stromleitung – Ladungsträgerinjektion in den pn Übergang erreicht (wird somit
elektrische gepumpt). Die stimulierte Emission erfolgt als Rekombinationsstrahlung im pn Übergang der
Halbleiterdiode.
Halbleiterlaser zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus:
● Hoher Wirkungsgrad bis zu 10%.
● Einfache Anregung durch direkte Umwandlung elektrischer Energie in kohärente Strahlung.
● Einfachste Modulation über den zugeführten Strom bis in GHz Bereich.
● Kleinste Abmessungen (< 0.5mm) und mechanische Stabilität.
● Hohe Lebensdauer bis 10 8 Stunden und geringste Kosten (€5 ... €30).
29 Für inkohärente Lichtquellen gilt für die Intensitäten eine lineare Addition der Teilintensitäten. Wird eine Fläche
durch eine Quelle mit der Intensität I1 beleuchten und anschließend mit einer anderen Quelle mit der Intesität I2, so
ergibt sich bei gleichzeitiger Beleuchtung mit beiden Quellen die Intensität:
I GES
= I + I
1
2
Für kohärente Strahlungsquelle gilt diese nicht, hier zeigen sich Interferenzmuster, je nach Weglängenunterschiede der
Teilstrahlen.
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Optische Sensoren / Laser Kapitel 5/5
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm
Abb. 3.5. Halbleiterlaser.
C.Brunner - Elektronische Sensorik Seite 13/13

Optische Sensoren / Laser Kapitel 5/5
http://www.pegasus-sys.net/FheServices.htm
4. Weiterführende Literatur
/1/ C. Kittel, W.D. Knight, A:C: Helmholz, Berkeley Physik Kurs MECHANIK, Vieweg Braunschweig,
Wiesbaden 1981
/2/ H. Kuchling, Taschenbuch der Physik, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main 1979
/3/ H. Hofmann, Das elektromagnetische Feld – Theorie und grundlegende Anwendungen, Verlag
Springer, Wien New York1982
/4/ G. Heyne, Elektronische Meßtechnik – Eine Einführung für angehende Wissenschaftler, Verlag R.
Oldenbourg, München Wien 1999
/5/ P. Kopacek, W. Washietl, Einführung in die Steuerungs- und Regelungstechnik, Verlag R.
Oldenbourg, München Wien 1980
/6/ M. Stöckl, K. H. Winterling, Elektrische Meßtechnik, B. G. Teubner, Stuttgart Wien 1978
/7/ R. P. Patzelt, H. Schweinzer, Elektrische Meßtechnik, Zweite Auflage, Verlag Springer, Wien New
York1996
/8/ R. Lerch, Elektrische Meßtechnik - analog und digitale Verfahren, Verlag Springer, Wien New
York1996
/9/ John C. Morris, Analogue Electronics – Second edition, Arnold Publications, London Sydney
Auckland 1999
/10/ Gordeon McComb, The LASER cookbook, 88 practical projects, TAB books, Blue ridge summit,
PA, 1988
/11/ Wolfgang Schmusch, Elektronische Meßtechnik – Elektronik 6, Vogel Verlag und Druck GmbH,
ISBN 3-8023-1769-6, Würzburg 4. Auflage 1998
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