COUNT®-Charakterisierungsverfahren
Die COUNT®-Serie von LASER COMPONENTS hat sich als erste Wahl für Detektoren bei anspruchsvollen Anwendungen mit extrem niedriger Intensität etabliert. Dazu gehören z. B. photonische Quantentechnologie, dynamische Lichtstreuung (Dynamic Light Scattering DLS), Fluoreszenz-Lebensdauertechniken und LiDAR.) In diesen Bereichen sind Schlüsselparameter wie hohe Quanteneffizienz, niedrige Dunkelzählrate, geringer Timing-Jitter und geringe Afterpulse-Wahrscheinlichkeit entscheidend. Um den Anforderungen unserer Kunden an überragende Leistung, Qualität und Zuverlässigkeit gerecht zu werden, hat LASER COMPONENTS zusammen mit Swabian Instruments hochpräzise, genau kalibrierte Prüfstationen aufgebaut.
Nachfolgend erhalten Sie technische Informationen über den Prozess, der zur Charakterisierung der COUNT®-Module verwendet wird. Alle Messungen werden auf einer speziellen Teststation (Abbildung 1) durchgeführt, die ultrakurz gepulste Diodenlaser, computergesteuerte Bewegungstische und hochpräzise Referenzleistungsmessgeräte mit einem hochwertigen, zeitkorrelierten Einzelphotonen-Zählsystem (Time-Correlated Single Photon Counting, TCSPC), dem Time Tagger Ultra von Swabian Instruments, kombiniert. Die vielseitige Streaming-Architektur des Time Taggers ermöglicht die gleichzeitige Signalanalyse von vier Lasern und von bis zu 12 COUNT®-Modulen. Die vollautomatische Ausrichtung des Laserstrahls auf die Freistrahlkanäle verbessert die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Charakterisierung bei vier verschiedenen Wellenlängen. Die Prüfstation unterstützt die Charakterisierung sowohl von Freistrahl- als auch von Faser-gekoppelten COUNT®-Modulen.
Timing-Jitter
von COUNT®-Modulen
Der Timing-Jitter eines COUNT®-Moduls ist die Unschärfe der Zeitdifferenz zwischen der Ankunftszeit des Photons und dem elektrischen Ausgangsimpuls. Er wird gemessen, indem diese Zeitdifferenz über viele Photonen in einem Histogramm akkumuliert wird.
Der Aufbau zur Messung des Timing-Jitters besteht aus einem gepulsten Laser, einem Dämpfungsglied (Attenuator), das die Laserpulse auf Einzelphotonen-Niveau reduziert, dem zu prüfenden COUNT® und dem Time Tagger, der hier als elektronischer Korrelator arbeitet. Der Korrelator zeichnet Zeitunterschiede zwischen dem Lasersynchronisationssignal und dem COUNT®-Ausgangssignal auf und erstellt ein Histogramm. Da das Lasersynchronisationssignal und das COUNT®-Ausgangssignal stark korrelieren, hat das Histogramm die Form eines Peaks. Die Breite dieses Peaks enthält Informationen über den Timing-Jitter. Dabei ist zu beachten, dass die Breite des Korrelationspeaks auch durch den Timing-Jitter des elektronischen Korrelators, des Lasersynchronisationssignals und der Laserpulsdauer beeinflusst wird. Der gesamte quadratische Mittelwert (r.m.s.) dieser Beiträge ist durch den folgenden Ausdruck gegeben:
Dabei gilt:
- σmeasurement =10 ps - ist der Effektivwert des Timing-Jitters des elektronischen Korrelatoreingangs
- σpulse = 40 ps - ist die Effektivwertbreite des Laserpulses
- σsync = 30 ps - ist der r.m.s.-Zeitjitter des Lasersynchronsignals
- σmeasurement ≈ 50 ps - der gesamte Effektivwert-Jitter des Messsystems
Dunkelzählrate (DCR)
von COUNT®-Modulen
Die Dunkelzählrate eines COUNT®-Moduls ist die Rate der falschen Ausgangsimpulse, die in Abwesenheit der Eingangsphotonen erzeugt werden. Dieser Parameter kann einfach durch Zählen einer Anzahl von Impulsen (N-Photonen) während eines genau definierten Zeitintervalls ΔT gemessen werden:
Afterpulse-Effekt und Totzeit
von COUNT®-Modulen
Nach der Detektion eines Photons benötigt ein Photonenzählmodul eine gewisse Reset-Zeit, die Totzeit, bevor es ein nächstes Photon detektieren kann. Bei COUNT®-Modulen ist die Totzeit ein fester Wert, der durch die Reset-Schaltung definiert wird.
Im Gegensatz zu den spontan auftretenden Dunkelzählungen erzeugt der Afterpulse-Effekt zeitkorrelierte Fehlereignisse. Bei COUNT®-Modulen beispielsweise treten solche falschen Detektionsereignisse auf, weil die von einer vorangegangenen Lawine eingeschlossenen Ladungen freigesetzt werden. Das Afterpulse-Auftreten äußert sich in einer erhöhten Wahrscheinlichkeit, einen falschen Signalimpuls unmittelbar nach der Totzeit zu erzeugen
Der Messaufbau für eine Afterpulse-Messung ist im Wesentlichen derselbe wie in Abbildung 2, wobei das Lasersynchronisationssignal nicht berücksichtigt wird. Die Laserpulse mit einer Wiederholrate von 1 MHz werden so abgeschwächt, dass < 1 Photon pro Puls entsteht, d.h., höchstens 1 Photon pro Mikrosekunde. Diese Photonen treffen auf das zu prüfende Modul, und der Time Tagger akkumuliert ein Histogramm der Zeitunterschiede zwischen den einzelnen erfassten Photonen. Das Histogramm visualisiert die Autokorrelation. Sowohl die Totzeit als auch die Afterpulse-Wahrscheinlichkeit können aus einem solchen Histogramm bestimmt werden. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel eines Histogramms, das mit einem COUNT®-Modul aufgezeichnet wurde.
Abbildung 3: Histogramm der aufgezeichneten Autokorrelation. Das Feld mit der Zeitdifferenz Null enthält die Anzahl aller aufgezeichneten Ereignisse.
Die anderen Zeitbins entsprechen den Ereignissen, die mit einer Zeitverzögerung von bis zu 500 ns aufgetreten sind. Im Bereich < 42 ns ist aufgrund der Totzeit des COUNT®-Moduls kein Signal zu beobachten.
Bei einem idealen Detektor ohne Afterpulse und ohne Dunkelereignisse würde man beobachten, dass alle Zählungen nur zu dem Bin bei der Zeitdifferenz Null addiert werden (ein Ereignis gegen sich selbst). Bei einem realen Signal führt das Auftreten des Afterpulse jedoch zu einer Verteilung, die sich über einen bestimmten Zeitbereich erstreckt. Außerdem bleibt ein Teil des Histogramms bei kleinen Zeitdifferenzen aufgrund der Totzeit leer.
Das aufgezeichnete Autokorrelationshistogramm enthält alle Informationen, die zur Berechnung der integrierten Afterpulse-Wahrscheinlichkeit notwendig sind:
Dabei ist Nap die Anzahl der Pulse, die zeitlich höchstens 500 ns voneinander getrennt sind (Bins N1...Nm), und N∑ ist die Gesamtzahl aller aufgezeichneten Pulse (Bin N0). Der obige Ausdruck liefert eine genaue Schätzung der Afterpulse-Wahrscheinlichkeit, solange die Dunkelzählrate << 106 counts/s bleibt.
PDE
PHOTONEN-DETEKTIONSEFFIZIENZ von COUNT®-Modulen
Die Photonen-Detektionseffizienz ist ein wichtiges Merkmal eines Einzelphotonendetektors. Sie gibt die Wahrscheinlichkeit an, mit der das Eingangsphoton in einen Signalimpuls umgewandelt wird. Die PDE ist definiert als Verhältnis zwischen der Detektionsrate RCOUNT® und der einfallenden Photonenrate Rin:
Im Allgemeinen hängt die PDE von dem für die lichtempfindliche Komponente verwendeten Material sowie von Konstruktionsparametern wie den Abmessungen des empfindlichen Bereichs und dem Vorhandensein von Antireflexionsbeschichtungen der Eingangsfenster des Geräts ab.
Abbildung 4 zeigt einen Aufbau für die Messung der PDE. In diesem Aufbau werden die Laserpulse auf Einzelphoton-Niveau abgeschwächt und an das zu prüfende Modul gesendet. Aus der Messung der einfallenden Lichtleistung wird die auf den Detektor treffende Photonenrate bestimmt. In der Praxis sind die für COUNT®-Module zulässigen Leistungen jedoch zu gering (< 1 pW), um mit einem herkömmlichen Leistungsmessgerät zuverlässig gemessen werden zu können. Daher verwenden wir einen Strahlteiler vor der Abschwächung der Laserstrahlleistung. Auf diese Weise können wir die einfallende Photonenrate am COUNT® (Rin) kontinuierlich überwachen, die in linearem Bezug zum Leistungsmesswert Pmon steht:
Dabei ist 𝜆 die Wellenlänge des Lasers, h die Plancksche Konstante, c die Lichtgeschwindigkeit und K der Faktor, der den Messwert des Leistungsmessers (Pmon) und den des COUNT®-Moduls (Pin) miteinander in Beziehung setzt.
Unter Berücksichtigung der Dunkelzählrate Rdark und der Totzeit Tdead des COUNT®-Moduls ist es von entscheidender Bedeutung, den Faktor K genau zu bestimmen. Daher ersetzen wir das COUNT®-Modul durch ein genaues und kalibriertes Leistungsmessgerät und zeichnen die Messwerte beider Leistungsmessgeräte gleichzeitig auf. In der Regel wird die Laserleistung auf den Wert erhöht, den das kalibrierende Leistungsmessgerät messen kann.
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Unsere Einzelphotonenzähler
Rekordverdächtige Dunkelzählraten und höchste Quanteneffizienz zeichnen die Single Photon Counting Module der COUNT® Serie aus.
Der Einzelphotonenzähler für zeitkorrelierte Anwendungen
Die COUNT® NIR Module haben eine besonders hohe Empfindlichkeit bei 810 nm
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