Photonenzählanwendungen spielen eine entscheidende Rolle bei Fortschritten in so vielfältigen Gebieten wie der Astronomie, Partikelgrößenbestimmung, Krankheitsdiagnostik, medizinische Analyse- und Bildgebungsverfahren sowie jüngst der Quanten-Kryptographie. Die spektakulärste Anwendung ist mit Sicherheit die biomedizinische Forschung. Der Einsatz von konfokaler und STED-Mikroskopie führte in den letzten Jahren zu enormen Fortschritten in der Fluoreszenz-Analyse von Struktur und Funktion biologischer Moleküle.
Um eine geringe Anzahl von Photonen zu detektieren, kommen hauptsächlich zwei Technologien zum Einsatz:
Photomultiplier – PMT
Ein Photomultiplier besteht typischer Weise aus einer Photokathode und einem nachgeschalteten Sekundärelektronenvervielfacher in einem evakuierten (10-6...10-5 Pa) Glaskolben.
Funktionsprinzip. Die Photonen treffen auf eine Photokathode, die je nach verwendetem Material im Spektralbereich ab 115 nm ein Elektron herausschlägt. Die nun freien Elektronen werden in einem elektrischen Feld beschleunigt und treffen auf weitere Elektroden – Dynoden genannt. Damit die Elektronen freie Bahn haben, befindet sich der gesamte Aufbau in einer Vakuumröhre; eine Hochspannungsversorgung von 1 – 2 kV muss angelegt werden. Das auf die Dynode auftreffende Elektron schlägt nun mehrere Elektronen, so genannte Sekundärelektronen, heraus. Diese werden zur nächsten Dynode hin beschleunigt.
Der Prozess wird durch mehrere hintereinander geschaltete Dynoden wiederholt, so dass die Zahl der Elektronen lawinenartig anwächst. Diese große Anzahl von Elektronen wird am Ende von der Anode absorbiert, es kommt zu einem elektrischen Impuls, welcher von einem elektronischen Zähler detektiert wird.
Single Photon Avalanche Diode – SPAD
Avalanche Photodioden, APD, sind hochempfindliche und schnelle Photodioden. Sie unterscheiden sich von „normalen“ PIN-Photodioden darin, dass beim Einfall von Photonen intern eine Ladungslawine ausgelöst wird. Voraussetzung hierfür ist, dass an der APD eine Sperrspannung angelegt wird, um die Verarmungszone aufzuweiten.
Speziell hergestellte Si-APDs können auch als Photonenzähler im „Geigermodus“ oberhalb der Durchbruchspannung (VR > VBR) verwendet werden, wobei ein einzelnes Photoelektron einen Lawinenpuls von ca. 108 Ladungsträgern auslösen kann. Derartige APDs werden auch gerne als SPAD (Single Photon Avalanche Diode) bezeichnet.
Funktionsprinzip. Normalerweise würde eine APD, die oberhalb der Durchbruchspannung betrieben wird, einen sehr großen Strom abführen. Durch eine entsprechende Beschaltung muss verhindert werden, dass die Diode durch den hohen Strom leitfähig bleibt, was im einfachsten Fall durch einen Vorwiderstand realisiert wird. Durch den Spannungsabfall am Vorwiderstand senkt sich die Sperrspannung über der APD, welche dadurch wieder in den gesperrten Zustand übergeht – passives Quenching. Der Vorgang wiederholt sich selbsttätig und die Stromimpulse können gezählt werden. Beim active Quenching wird durch eine Elektronik die Sperrspannung beim Erkennen eines Durchbruchstromes innerhalb weniger Nanosekunden aktiv abgesenkt. Danach wird durch erneutes Anheben der Sperrspannung über die Durchbruchspannung die SPAD wieder aktiviert. Durch die Signalverarbeitung der Elektronik entstehen Totzeiten von ca. 50 ns und es lassen sich somit Zählraten von bis zu 10 MHz realisieren.
Single Photon Counting Module
Damit der Anwender die maximale Performance aus derartigen SPADs herausholen kann, werden komplette Einzelphotonenzählwerke angeboten. Diese beinhalten in einem kompakten Gehäuse neben der gekühlten SPAD die komplette Elektronik einschließlich stabilisierter Hochspannungsversorgung und Temperaturkontroller, so dass am Ausgang ein Zählimpuls abgegriffen werden kann.
Vorteile der einzelnen Technologien
SPADs haben eine deutlich höhere Quanteneffizienz (QE) und den großen Messbereich von 300 nm bis ins NIR.
Unter Quanteneffizienz versteht man das Verhältnis der erzeugten Elektronen zu den einfallenden Photonen in Prozent; sie ist von der Wellenlänge abhängig. In dem Fall dass alle anderen Detektoreigenschaften gleich sind, ist der Detektor mit der größten Quanteneffizienz die beste Wahl.
Bei der Einzelphotonenzählung spielt aber auch das Rauschen des Detektors eine wichtige Rolle. Da man einzelne Photonen zählen will, wird das Rauschen bei derartigen Detektoren nicht mehr in fW/sqrt [Hz] angegeben sondern bereits in c/s (counts/second), was als Dunkelzählrate bezeichnet wird.
Nun muss man wissen, dass sowohl die Quanteneffizienz als auch die Dunkelzählrate von der an den Detektor angelegten Betriebsspannung abhängt (s. Tabelle). Die Kunst besteht darin, eine spezielle Diode herzustellen, die sowohl maximale Quanteneffizienz bei möglichst kleiner Dunkelzählrate ermöglicht.
Overvoltage [V] | QE @ | QE @ | QE @ | Dark count |
2.0 | 30 % | 55 % | 32 % | 15.4 c/s |
4.1 | 36 % | 69 % | 43 % | 31.4 c/s |
6.3 | 40 % | 79 % | 51 % | 57.4 c/s |
8.0 | 43 % | 85 % | 55 % | 91.4 c/s |
10.7 | 45 % | 90 % | 60 % | 138.2 c/s |
Tabelle: Verhalten eines COUNT Moduls bei unterschiedlichen Überspannungen
Die von uns entwickelte „VLoK-APD“ erfüllt diese Anforderungen. Was früher mit SPAD-Modulen undenkbar gewesen wäre, ermöglicht die VLoK APD: Dunkelzählraten < 10 c/s bei gleichzeitiger Quanteneffizienz von > 80% im roten Spektralbereich. Jüngst hergestellte Dioden weisen sogar Effizienzen > 90% @ 670 nm auf.
Alternativen bei kurzen Wellenlängen
Für die Einzelphotonenzählung bei kürzeren Wellenlängen führte bislang kein Weg an den PMTs vorbei, zumal die Quanteneffizienz der SPADs dort bislang kräftig einbrach. Je nach verwendetem Photokathodenmaterial detektieren Photomultiplier einzelne Photonen bis 115 nm. Die Quanteneffizienz liegt dann im Bereich von 10 – 20%, im blauen Spektralbereich bei ca. 30%. Mit dem COUNTblue bietet LASER COMPONENTS seit kurzem auch hier ein UV angehobenes Einzelphotonenzählwerk an, welches bei 405 nm Effizienzen von > 50% aufweist.
