COUNT®-Charakterisierungsverfahren

Charakterisierungsverfahren Photon Counting Module - Einführung

Die COUNT^®-Serie von LASER COMPONENTS hat sich als erster Detektor für anspruchsvolle Anwendungen mit niedriger Intensität etabliert, wie z. B. LiDAR, dynamische Lichtstreuung, Fluoreszenz-Lebensdauertechniken und photonische Quantentechnologie. Für diese Anwendungen sind Schlüsselparameter wie hohe Quanteneffizienz, niedrige Dunkelzählrate, geringer Timing-Jitter und geringe Nachimpulswahrscheinlichkeit 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 Testeinrichtungen eingerichtet.

Diese Application Note enthält technische Informationen über den Prozess die zur Charakterisierung der COUNT^®-Module verwendet werden. Alle Messungen werden auf einer speziellen Teststation (Abbildung 1) durchgeführt, die ultrakurz gepulste Diodenlaser ultrakurz gepulste Diodenlaser, computergesteuerte Bewegungstische und hochpräzise und hochpräzise Referenzleistungsmessgeräte mit einem exquisiten zeitkorrelierten Einzelphotonen-Zählsystem (TCSPC), dem Time Tagger Ultra von Swabian Instruments. Die vielseitige Streaming-Architektur des Time Tagger Architektur des Time Tagger ermöglicht die gleichzeitige Signalanalyse von 4 Lasern und bis zu bis zu 12 COUNT^®-Modulen. Die vollautomatische Ausrichtung des Sondenlaserstrahls auf die Freiraumkanäle verbessert die Genauigkeit und Wiederholbarkeit der Charakterisierung bei 4 verschiedenen Wellenlängen. Die Prüfstation unterstützt die Charakterisierung sowohl der Freiraum- als auch der fasergebundenen angeschlossenen COUNT^®-Modulen.

Abbildung 1: COUNT^®-Testaufbau: fasergekoppelte und Freiraummessungen

JITTER

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Der Timing-Jitter eines COUNT^®-Moduls ist eine Unsicherheit der Zeitdifferenz zwischen der Ankunftszeit der Photonen 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, das die Laserpulse auf Ein-Photonen-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 korreliert sind, hat das Histogramm die Form eines Peaks. Die Breite dieses Peaks enthält Informationen über den Timing-Jitter. Beachten Sie, dass die Breite des Korrelationspeaks auch durch den Timing-Jitter des elektronischen Korrelators, des Lasersynchronsignals und der Laserpulsdauer beeinflusst wird. Der gesamte Effektivwert dieser Beiträge ist durch den folgenden Ausdruck gegeben:

σ_{m e a s u r e m e n t} = \sqrt[]{2 σ_{c o r r e l a t o r}^{2} + σ_{p u l s e}^{2} + σ_{s y n c}^{2}}

wo:

σ_measurement =10 ps - ist der Effektivwert des Timing-Jitters des elektronischen Korrelatoreingangs
σ_pulse = 40 ps - ist die Effektivwertbreite des Laserpulses
σ_sync = 30 ps - ist der r.m.s.-Zeitjitter des Lasersynchronsignals
σ_measurement ≈ 50 ps - der gesamte Effektivwert-Jitter des Messsystems

Damit ist das Messsystem in der Lage, den Timing-Jitter von COUNT^®-Modulen bis zu 50 ps zu messen.

DUNKELZÄHLRATE

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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:

\begin{array}{c} R_{d a r k} = - \frac{N_{p h o t o n s}}{Δ T} \end{array}

Der Time Tagger bietet integrierte Funktionen für die Zählratenmessung.

NACHIMPULSWAHRSCHEINLICHKEIT UND TOTZEIT

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Nach der Detektion eines Photons benötigt ein Photonenzählmodul eine gewisse Rückstellzeit, 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 führt der Nachimpulseffekt zur Erzeugung von zeitkorrelierten Fehlereignissen. Bei COUNT^®-Modulen beispielsweise treten solche falschen Erkennungsereignisse auf, weil die von einer vorangegangenen Lawine eingeschlossenen Ladungen freigesetzt werden. Das Nachimpulsieren äußert sich in einer erhöhten Wahrscheinlichkeit der Erzeugung eines falschen Signalimpulses unmittelbar nach der Totzeit.
Der Messaufbau für eine After-Pulsing-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, was bedeutet, dass höchstens 1 Photon pro Mikrosekunde entsteht. Diese Photonen beleuchten das zu prüfende Modul, und der Time Tagger akkumuliert ein Histogramm der Zeitunterschiede zwischen den einzelnen erfassten Photonen. Dies ist im Wesentlichen ein Autokorrelationshistogramm. Sowohl die Totzeit als auch die Nachimpulswahrscheinlichkeit können aus einem solchen Histogramm bestimmt werden. Abbildung 3 zeigt ein Beispiel eines Histogramms, das mit einem echten 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.

Die Charakterisierung der Nachimpulsung erfolgt durch Aufzeichnung eines Autokorrelationshistogramms für das Ausgangssignal. Ein Beispiel für ein Autokorrelationshistogramm, das mit einem echten COUNT^®-Modul aufgenommen wurde, ist in Abbildung 3 dargestellt.
Bei einem idealen Detektor ohne Nachimpuls und ohne Dunkelzählungen 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 Nachimpulsieren 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 Nachimpulswahrscheinlichkeit notwendig sind:

\begin{array}{c} P_{a p} = \frac{N_{a p}}{N_{\sum}} = \frac{\sum_{i = 1}^{m} N_{i}}{N_{0}} \end{array}

Dabei ist N_ap die Anzahl der Pulse, die zeitlich höchstens 500 ns voneinander getrennt sind (Bins N₁...N_m), und N_∑ ist die Gesamtzahl aller aufgezeichneten Pulse (Bin N₀). Der obige Ausdruck liefert eine genaue Schätzung der Nachimpulswahrscheinlichkeit, solange die Dunkelraten << 10⁶ counts/s bleiben.

PHOTONEN-DETEKTIONS-EFFIZIENZ (PDE)

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Die Photonendetektionseffizienz ist ein wichtiges Merkmal eines Photonenzählmoduls. Sie gibt die Wahrscheinlichkeit an, mit der das Eingangsphoton in einen Signalimpuls umgewandelt wird. Die PDE ist definiert als Verhältnis zwischen der Detektionsrate R_COUNT® und der einfallenden Photonenrate R_in:

\begin{array}{c} P D E = \frac{R_{C O U N T^{®}}^{}}{R_{i n}} \end{array}

Im Allgemeinen hängt die PDE von dem für die lichtempfindliche Komponente verwendeten Material sowie von Konstruktionsparametern ab, wie den Abmessungen des empfindlichen Bereichs und dem Vorhandensein von Antireflexionsbeschichtungen auf den Eingangsfenstern des Geräts.

Abbildung 4: Skizze eines PDE-Messaufbaus.

Abbildung 4 zeigt einen Aufbau für die Messung der PDE. In diesem Aufbau werden die Laserpulse auf ein 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^® zulässigen Leistungen jedoch zu gering (< 1 pW), um mit einem herkömmlichen Leistungsmessgerät zuverlässig gemessen werden zu können. Daher verwenden wir einen Strahlteiler, um die Leistung des Laserstrahls abzutasten, bevor wir sie auf den Einzelphotonenpegel abschwächen. Auf diese Weise können wir die einfallende Photonenrate am COUNT^® (R_in) kontinuierlich überwachen, die linear mit dem Leistungsmesserwert P_mon verbunden ist:

\begin{array}{c} R_{i n} = \frac{𝜆}{h \cdot c} \cdot P_{i n} = \frac{𝜆}{h \cdot c} \cdot \frac{P_{m o n}}{K} \end{array}

wobei 𝜆 die Wellenlänge des Lasers, h die Planck-Konstante, c die Lichtgeschwindigkeit und K der Faktor ist, der den Messwert des Leistungsmessers (P_mon) und die auf das COUNT^® -Modul einfallende Leistung (P_in) 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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