Procédure de caractérisation COUNT®
La série COUNT® de LASER COMPONENTS s'est imposée comme le détecteur de référence pour les applications exigeantes à faible niveau de lumière , telles que le LiDAR, la diffusion dynamique de la lumière, les techniques de durée de vie de la fluorescence et la technologie quantique photonique.
Ces applications reposent sur des paramètres clés, tels qu'un rendement quantique élevé, un faible taux d’obscurité , une faible gigue de synchronisation et une faible probabilité d'impulsion résiduelle. Afin de répondre aux exigences de nos clients en matière de performances, de qualité et de fiabilité , LASER COMPONENTS s'est associé à Swabian Instruments pour mettre en place des installations de test de haute précision et calibrées avec soin.
Cette note d'application fournit des informations techniques sur le processus utilisé pour caractériser les modules COUNT®. Toutes les mesures sont effectuées sur une station d'essai dédiée (figure 1) qui combine des diodes laser à impulsions ultra-courtes, des platines mobiles commandées par ordinateur et des wattmètres de référence de haute précision avec un système sophistiqué de comptage de photons uniques corrélés dans le temps (TCSPC), le Time Tagger Ultra de Swabian Instruments.
L'architecture de streaming polyvalente du Time Tagger permet l'analyse simultanée des signaux provenant de 4 diodes laser et jusqu'à 12 modules COUNT®. L'alignement entièrement automatique du faisceau laser de la sonde sur les canaux en espace libre améliore la justesse et la précision de la caractérisation à 4 longueurs d'onde distinctes. La station d'essai prend en charge la caractérisation des modules COUNT® en espace libre et connectés par fibre optique.
La gigue de synchronisation
d'un module COUNT®
La gigue de synchronisation d'un module COUNT® est une incertitude quant à la différence de temps entre l'arrivée du photon et l'impulsion électrique de sortie. Elle est mesurée en traçant cette différence de temps sur de nombreux photons dans un histogramme.
Le dispositif de mesure de la gigue de synchronisation comprend un laser pulsé, un atténuateur qui réduit les impulsions laser au niveau d'un photon unique, le COUNT® testé et le Time Tagger qui fonctionne ici comme un corrélateur électronique (figure 2). Le corrélateur enregistre les différences de temps entre le signal de synchronisation laser et le signal de sortie COUNT® et accumule un histogramme.
La synchronisation laser et la sortie COUNT® étant fortement corrélées, l'histogramme a la forme d'un pic. La largeur de ce pic contient des informations sur la gigue de synchronisation. Notez que la largeur du pic de corrélation est également influencée par la gigue de synchronisation du corrélateur électronique, le signal de synchronisation laser et la durée de l'impulsion laser. La valeur efficace totale de ces contributions est donnée par l'expression suivante :
où :
- σmeasurement = 10 ps - - est la gigue de synchronisation efficace de l'entrée du corrélateur électronique
- σpulse = 40 ps - est la largeur efficace de l'impulsion laser
- σsync = 30 ps - est la gigue de synchronisation efficace du signal de synchronisation laser
- σmeasurement ≈ 50 ps - est la gigue efficace totale du système de mesure
Le taux de comptage en obscurité
d’un module COUNT®
Le taux de comptage en obscurité d'un module COUNT® est le taux d'impulsions de sortie erronées générées en l'absence de photons d'entrée. Ce paramètre peut être facilement mesuré en comptant le nombre d'impulsions (Nphotons) pendant un intervalle de temps ΔT bien défini :
Effet post-impulsionnel et temps mort
des modules COUNT®
Après avoir détecté un photon, un module de comptage de photons nécessite un certain temps de réinitialisation avant de pouvoir détecter le photon suivant, appelé temps mort. Dans les modules COUNT®, le temps mort est une valeur fixe définie par le circuit de réinitialisation.
Contrairement aux comptages en obscurité qui se produisent spontanément, l'effet d'après-impulsion entraîne la génération de faux événements corrélés dans le temps. Par exemple, dans les modules COUNT®, ces faux événements de détection apparaissent en raison de la libération des charges piégées créées par une avalanche précédente. L'après-impulsion se manifeste par une probabilité accrue de générer une fausse impulsion de signal immédiatement après le temps mort.
Le dispositif de mesure pour une mesure post impulsionnelle est essentiellement le même que celui illustré à la figure 2, à l'exception du signal de synchronisation laser qui est ignoré. Les impulsions laser d'une fréquence de répétition de 1 MHz sont atténuées de manière à ce qu'il y ait moins d'un photon par impulsion, ce qui signifie qu'il y a au maximum un photon par microseconde. Ces photons éclairent le module testé et le Time Tagger accumule un histogramme des différences de temps entre chacun des photons détectés. Il s'agit essentiellement d'un histogramme d'autocorrélation. Le temps mort et la probabilité d'impulsion résiduelle peuvent tous deux être déterminés à partir d'un tel histogramme. La figure 3 montre un exemple d'histogramme enregistré avec un module COUNT® réel.
Figure 3 : Histogramme d'autocorrélation enregistré. La classe à différence de temps nulle contient le nombre total d'événements enregistrés.
Les autres classes temporelles correspondent aux événements qui se sont produits avec un retard pouvant atteindre 500 ns. Nous n'observons aucun signal dans la région < 42 ns en raison du temps mort du module COUNT®.
Nous effectuons la caractérisation de post impulsionnelle en enregistrant un histogramme d'autocorrélation pour le signal de sortie. Un exemple d'histogramme d'autocorrélation enregistré avec un module COUNT® réel est présenté à la figure 3.
Avec un détecteur idéal qui ne présente comptage post impulsionnel ni comptage dans l’obscurité , on observerait que tous les comptages sont ajoutés uniquement à la classe à différence de temps nulle (un événement contre lui-même). Avec un signal réel, cependant, l'après-impulsion entraîne une distribution couvrant une certaine plage de temps. De plus, une partie de l'histogramme à de petites différences de temps reste vide en raison du temps mort.
L'histogramme d'autocorrélation enregistré contient toutes les informations nécessaires au calcul de la probabilité d'après-impulsion intégrée comme suit :
Où Nap est le nombre d'impulsions séparées dans le temps par un intervalle maximal de 500 ns (classes N1…Nm) et N∑ est le nombre total d'impulsions enregistrées (classe N0). L'expression ci-dessus donne une estimation précise de la probabilité d'impulsion résiduelle tant que les taux d'obscurité restent << 106 coups/s.
Efficacité de détection des photons (PDE)
des modules COUNT®
L'efficacité de détection des photons est une caractéristique importante d'un module de comptage de photons. Il s'agit de la probabilité avec laquelle le photon entrant est converti en une impulsion de signal. La PDE est définie comme le rapport entre le taux de détection RCOUNT et le taux de photons incidents Rin :
En général, la PDE dépend du matériau utilisé pour le composant de détection de la lumière ainsi que des paramètres de conception, tels que les dimensions de la zone sensible et la présence de revêtements antireflets sur les fenêtres d'entrée de l'appareil.
La figure 4 montre un dispositif utilisé pour mesurer le PDE. Dans ce dispositif, les impulsions laser sont atténuées à un niveau de photon unique et envoyées au module testé. Nous déterminons le taux de photons incidents au niveau du détecteur à partir de la mesure de la puissance lumineuse incidente. Dans la pratique, cependant, les niveaux de puissance acceptables pour COUNT® sont trop faibles (< 1 pW) pour être mesurés de manière fiable par un wattmètre classique.
Nous utilisons donc un séparateur de faisceau pour échantillonner la puissance du faisceau laser avant de l'atténuer au niveau d'un seul photon. De cette manière, nous pouvons surveiller en continu le taux de photons incidents au niveau du COUNT® (Rin), qui est linéairement lié à la lecture du wattmètre Pmon comme suit :
où 𝜆 est la longueur d'onde du laser, h est la constante de Planck, c est la vitesse de la lumière et K est le facteur qui relie la lecture du wattmètre (Pmon) et la puissance incidente au module COUNT® (Pin).
Compte tenu du taux de comptage en obscurité Rdark et du temps mort Tdead du module COUNT®, il est essentiel de déterminer avec précision le facteur K. Par conséquent, nous remplaçons le module COUNT® par un wattmètre précis et calibré et enregistrons simultanément les lectures des deux wattmètres. Généralement, la puissance du laser est augmentée jusqu'au niveau détectable par le wattmètre d'étalonnage.
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