PROCÉDURE DE CARACTÉRISATION DU COMPTAGE
Procédure de caractérisation Modules de comptage de photons - Présentation
La série COUNT® de LASER COMPONENTS s'est imposée comme le premier choix de détecteur pour les applications exigeantes à faible intensité, telles que 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'une efficacité quantique élevée, un faible taux de comptage de l'obscurité, une faible gigue temporelle et une faible probabilité de post-impulsion. Pour répondre aux demandes de nos clients pour une performance, une qualité et une fiabilité supérieures, LASER COMPONENTS s'est associé à Swabian Instruments pour établir des installations de test de haute précision, calibrées avec exactitude.
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 de test dédiée (Figure 1) qui combine des lasers à diode à impulsions ultra des lasers à diode à impulsions ultra-courtes, des plateaux mobiles commandés par ordinateur et des wattmètres de référence de haute précision avec un système d'étalonnage exquis.
de référence de haute précision avec un système exquis de comptage de photons uniques par corrélation temporelle (TCP).
De comptage des photons uniques corrélés au temps (TCSPC), le Time Tagger Ultra de Swabian Instruments. Swabian Instruments. L'architecture polyvalente en continu du Time Tagger polyvalente du Time Tagger permet l'analyse simultanée des signaux de 4 lasers et jusqu'à 12 modules COUNT® jusqu'à 12 modules COUNT®. L'alignement entièrement automatique du faisceau laser de la sonde sur les canaux de l'espace libre améliore la précision et la répétabilité de la caractérisation sur 4 canaux de l'espace libre. La précision et la répétabilité de la caractérisation à 4 longueurs d'onde distinctes. La station de test prend en charge la caractérisation des modules COUNT® en espace libre et des modules COUNT® connectés par fibre. et des modules COUNT® raccordés par fibre optique.
Gigue
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La gigue temporelle d'un module COUNT® est une incertitude sur la différence de temps entre le temps d'arrivée des photons et l'impulsion électrique de sortie. Elle est mesurée en accumulant cette différence de temps sur de nombreux photons dans un histogramme.
Le dispositif de mesure de la gigue temporelle se compose d'un laser pulsé, d'un atténuateur qui réduit les impulsions laser au niveau d'un seul photon, du COUNT® testé et du Time Tagger qui fonctionne ici comme un corrélateur électronique. Le corrélateur enregistre les différences de temps entre le signal de synchronisation du laser et le signal de sortie du COUNT® et accumule un histogramme. Comme la synchronisation laser et la sortie COUNT® sont fortement corrélées, l'histogramme a la forme d'un pic. La largeur de ce pic contient des informations sur la gigue temporelle. Notez que la largeur du pic de corrélation est également influencée par la gigue temporelle du corrélateur électronique, le signal de synchronisation du laser et la durée de l'impulsion laser. La valeur efficace totale de ces contributions est donnée par l'expression suivante :
FORMEL EINFÜGEN
Le système de mesure est donc capable de mesurer la gigue temporelle des modules COUNT® jusqu'à 50 ps.
où :
- σmeasurement = 10 ps - est la gigue temporelle en valeur efficace de l'entrée du corrélateur électronique
- σpulse = 40 ps - est la largeur efficace de l'impulsion laser
- σsync = 30 ps - est la gigue temporelle en valeur efficace du signal de synchronisation laser
- σmeasurement ≈ 50 ps - la gigue électromagnétique totale du système de mesure
TAUX DE COMPTAGE DE L'OBSCURITÉ
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Le taux de comptage d'obscurité d'un module COUNT® est un taux de fausses impulsions de sortie qui sont générées en l'absence des photons d'entrée. Ce paramètre peut être facilement mesuré en comptant un nombre d'impulsions (Nphotons) pendant un intervalle de temps ΔT bien défini :
LA PROBABILITÉ DE POST-IMPULSION ET LE TEMPS MORT
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Après avoir détecté un photon, un module de comptage de photons a besoin d'un certain temps de réinitialisation avant de pouvoir détecter un autre photon, à savoir le temps mort. Dans les modules COUNT®, le temps mort est une valeur fixe définie par le circuit de réinitialisation.
Contrairement aux comptages sombres qui se produisent spontanément, l'effet de post-impulsion entraîne la génération de faux événements corrélés dans le temps. Par exemple, dans les modules COUNT®, de tels événements de fausse détection apparaissent en raison de la libération des charges piégées créées par une avalanche précédente. L'effet de post-pulsation se manifeste par une probabilité accrue de générer une fausse impulsion de signal immédiatement après le temps mort.
La configuration de la mesure de l'after-pulsing est essentiellement la même que celle de la figure 2, à l'exception du signal de synchronisation du laser qui n'est pas pris en compte. Les impulsions laser d'un taux de répétition de 1 MHz sont atténuées de manière à ce qu'il y ait < 1 photon par impulsion, ce qui signifie qu'il y a au plus 1 photon par microseconde. Ces photons illuminent 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 de post-impulsion peuvent être déterminés à partir de cet histogramme. La figure 3 montre un exemple d'histogramme enregistré avec un module COUNT® réel.
Figure 3 : Histogramme d'autocorrélation enregistré. La case située à la différence de temps zéro contient le nombre de tous les événements enregistrés.
Les autres cases correspondent aux événements qui se sont produits avec un retard allant jusqu'à 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 la post-impulsion 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 n'a pas de post-pulsation et pas de comptages sombres, on observerait que tous les comptages sont ajoutés uniquement à la case à différence de temps nulle (un événement contre lui-même). Dans le cas d'un signal réel, cependant, la post-impulsion conduit à une distribution couvrant une certaine plage de temps. En outre, une partie de l'histogramme à de faibles 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 de post-impulsion intégrée :
Où Nap est le nombre d'impulsions séparées au maximum de 500 ns dans le temps (cases N1...Nm) et N∑ est le nombre total de toutes les impulsions enregistrées (case N0). L'expression susmentionnée donne une estimation précise de la probabilité de post-impulsion tant que les taux d'obscurité restent << 106 coups/s.c
EFFICACITÉ DE DÉTECTION DES PHOTONS (PDE))
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L'efficacité de la détection des photons est une caractéristique importante d'un module de comptage de photons. Il s'agit de la probabilité avec laquelle le photon d'entrée est converti en une impulsion de signal. L'EDP est définie comme un rapport entre le taux de détection RCOUNT® et le taux de photons incidents Rin :
FORMEL!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
En général, l'EDP dépend du matériau utilisé pour le composant de détection de la lumière ainsi que des paramètres de conception,
comme les dimensions de la zone sensible et la présence de revêtements antireflets sur les fenêtres d'entrée de l'appareil.
La figure 4 montre une installation utilisée pour mesurer l'EDP. Dans cette configuration, les impulsions laser sont atténuées à un niveau de photon unique et envoyées au module testé. Nous déterminons le taux de photons incident au niveau du détecteur à partir de la mesure de la puissance de la lumière 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 powermeter conventionnel. C'est pourquoi nous utilisons un séparateur de faisceau pour échantillonner la puissance du faisceau laser avant de l'atténuer au niveau du photon unique. De cette manière, nous pouvons surveiller en permanence le taux de photons incidents au niveau du COUNT® (Rin), qui est linéairement lié à la lecture du powermeter Pmon comme suit :
FORMEL!!!!!!!!
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 powermeter (Pmon) et la puissance incidente au module COUNT® (Pin).
Compte tenu du taux d'obscurité Rdark et du temps mort Tdead du module COUNT®, il est crucial de déterminer avec précision le facteur K. Par conséquent, nous remplaçons le module COUNT® par un powermeter précis et calibré et nous enregistrons les relevés des deux powermeters simultanément. En général, la puissance du laser est augmentée jusqu'au niveau détectable par le powermeter calibré.
where 𝜆 is laser wavelength, h is the Planck constant, c is the speed of light, and K is the factor that relates powermeter reading (Pmon) and the power incident at the COUNT® module (Pin).
Taking into account the dark countrate Rdark and the deadtime Tdead of the COUNT® module it is crucial to accurately determine the factor K. Therefore, we replace the COUNT® module with an accurate and calibrated powermeter and record the readings from both powermeters simultaneously. Usually, the laser power is increased to the level detectable by the calibrating powermeter.
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