Optical power measurements : applications in fiber optics and ultraviolet radiometry

Abstract

The work described in this thesis has concentrated on development and characterization of detectors, measurement setups and measurement methods for the needs of optical metrology in the fields of fiber optics and ultraviolet (UV) radiometry.

A straightforward detector design for fiber optic power measurements, consisting of a single InGaAs photodiode, has been introduced. The simple and cost effective detectors were found applicable in high-precision measurements at <1-mW level with a combined measurement uncertainty of 0.9% (k=2).

Another detector type for fiber optic power measurements, consisting of an integrating sphere and an InGaAs photodiode, has been characterized for measurements at power levels up to 200 mW. Further characterizations have extended the power range up to 650 mW. The measurement uncertainty of the detector is 0.8% at 1-mW level and 1.3% at 100-mW level (k=2). The capability for accurate measurements of fiber optic power at 100-mW level has been found useful in studying the non-linear properties of optical fibers.

A high-intensity spectral comparator facility for measurements of spectral irradiance responsivity s(λ) at UV is presented. The setup consists of a single grating monochromator and intense xenon source. The high power levels are needed to obtain sufficient levels in narrow-band (1 nm) spectral measurements with broadband UV detectors. The power levels obtained were high enough even for measurements at UVB region (280-315 nm).

A sophisticated method for calibration of broadband detectors was tested. The method is based on the measured s(λ) of the detector. This method enables the irradiance responsivity of the detector to be calculated for any source whose spectral shape is known. The consistency between this method and the widely used spectroradiometric method was show.

A novel method for inter-comparisons of calibration facilities of broadband UV detectors is introduced. The method is based on the known s(λ) and angular response of the detector. The applicability of the method was verified with a successful inter-comparison between five laboratories.

Tässä väitöskirjassa kuvatussa tutkimustyössä on keskitytty kuituoptiikassa ja ultraviolettialueen (UV) radiometriassa tarvittavien tehomittarien (detektorien), mittausjärjestelmien ja mittausmenetelmien kehittämiseen.

Tässä työssä on kuvattu yksinkertainen ja edullinen, pelkästä InGaAs-fotodiodista koostuva, kuituoptinen detektori. Tarkat karakterisointimittaukset osoittivat detektorin käyttökelpoiseksi mittanormaaliksi kuituoptisiin tarkkuustehomittauksiin <1 mW tehotasoilla. Detektorin mittausepävarmuus on 0.9% (k=2).

Olemme karakterisoineet integroivasta pallosta ja InGaAs-fotodiodista koostuvan pallodetektorin, ja osoittaneet, että detektori kykenee luotettaviin kuituoptisen tehon mittauksiin aina 200 mW tehotasoille asti. Myöhemmät laboratoriossamme tehdyt mittaukset ovat vielä entisestään laajentaneet tehoaluetta 650 mW asti. Mittausepävarmuus 1 mW tasolla on 0.8% ja 100 mW tasolla 1.3% (k=2). Korkeiden tehotasojen (∼100 mW) tarkkuusmittaukset ovat huomattavasti edesauttaneet laboratoriossamme tehtäviä kuitujen epälineaarisia ominaisuuksia käsitteleviä tutkimuksia.

Työssä on esitelty suuritehoinen mittausjärjestelmä UV-alueen detektorien spektrisen irradianssivasteen s(λ) mittaamiseen. Järjestelmä koostuu yksihilaisesta monokromaattorista ja suuritehoisesta ksenonlampusta. Korkeat tehotasot edesauttavat laajakaistaisten UV-mittarien spektrisiä mittauksia kapeilla 1 nm kaistoilla. Tehotasot todettiin riittäviksi jopa lyhytaaltoisella UVB-alueella (280-315 nm).

Kokeilimme myös uutta menetelmää laajakaistaisten UV-mittarien kalibrointiin. Menetelmä perustuu s(λ):n mittaamiseen. Tätä menetelmää käyttäen voidaan mittarin vaste määrittää mille tahansa lähteelle, jonka spektrimuoto tunnetaan. Osoitimme myös yhtäpitävyyden tämän menetelmän ja laajalti käytetyn spektroradiometrisen menetelmän välillä.

Esittelemme lisäksi uuden menetelmän kansainvälisiin laajakaistaisten UV-mittareiden vertailuihin. Menetelmä hyödyntää mitattua s(λ):aa, lisäksi tarvitaan mittarin mitattu kulmavaste. Menetelmän toimivuus on todennettu järjestämässämme kansainvälisessä pilottivertailussa, jonka tulokset esitetään tässä väitöskirjassa.