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FG Reaktive Strömungen und Messtechnik Technische Universität Darmstadt Optische Detektoren Andreas Dreizler.

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Präsentation zum Thema: "FG Reaktive Strömungen und Messtechnik Technische Universität Darmstadt Optische Detektoren Andreas Dreizler."—  Präsentation transkript:

1 FG Reaktive Strömungen und Messtechnik Technische Universität Darmstadt Optische Detektoren Andreas Dreizler

2 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 2 Übersicht Einleitung Sekundärelektronenvervielfacher Pyroelektrischer Detektor Photodiode CCD- und CMOS-Detektoren EMCCD-Detektor Streak-Kamera Optischer Korrelator

3 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 3 Aufgabe von optischen Detektoren –Wandlung elektromagnetischer Strahlung (Photonen) in elektrische Signale Unterscheidung nach –Punkt oder Array-Detektoren (1D, 2D) –Zeitauflösung –Quanteneffizienz (wie viel % des einfallenden Lichts werden in elektrische Signale gewandelt) –Sensitiver spektraler Bereich (UV, VIS, NIR, IR) –Dynamik –Zerstörschwelle –Rauschen –Dunkelstrom –... Einleitung

4 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 4 Sekundärelektronenvervielfacher Prinzip Sekundärelektronenvervielfacher (SEV oder PMT: Photomultiplier) –Photon schlägt Photo-Elektron aus einem Kathodenmaterial (Metall), sofern Grenzfrequenz überschritten ist ( siehe photoelektrischer Effekt) –Herausgeschlagene Elektronen werden auf eine erste Dynode beschleunigt, wo sie Sekundärelektronen herausschlagen –Diese werden auf 2. Dynode beschleunigt usf. Elektronenvervielfachung

5 Äußerer Photoelektrische Effekt Lichtquant h muss mindestens Energie zum Herauslösen von Elektronen aus dem Kathodenmaterial aufbringen Der Rest wird in kinetische Energie T überführt 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 5

6 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 6 Prinzip SEV SEV

7 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 7 Charakteristika –Hohe Empfindlichkeit und Dynamik –Verstärkungsfaktor bis ~10 6 –Je nach Kathodenmaterial empfindlich in einem Bereich von UV bis NIR –Kurze Anstiegsflanken im Sub-ns-Bereich möglich, Verschmierung eines kurzen Pulses in der Zeit vorwiegend durch unterschiedliche Wege, die Photo-Elektronen von der Kathode bis zur ersten Dynode zurücklegen SEV

8 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 8 Charakteristika (Fortsetzung) –Quanteneffizienz bei ~1 - 10% stark abhängig von Wellenlänge und Typ abhängig –Dunkelstrom wächst nach Richardson-Gleichung gem. –Dunkelstrom kann durch Kühlen und kleine Kathodenfläche minimiert werden SEV Austrittsarbeit der Photoelektronen

9 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 9 Prinzip –Pyroelektrisches Material zwischen 2 Elektroden platziert, das Laserstrahlung absorbiert (Kondensator) –Bei Temperaturänderung ändern sich im pyroelektrischen Material die dielektrischen Eigenschaften –Ist zwischen den Elektroden eine Spannung U angelegt, so ändert sich diese in Abhängigkeit der Dielektrizität –Diese Spannungsänderung wird verstärkt –Pyroelektrische Detektoren sprechen auf zeitliche Änderung an (Temperaturänderung Spannungsänderung) Geeignet, um Energie von Laserpulsen zu messen Pyroelektrischer Detektor

10 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 10 Aufbau ändert sich bei Bestrahlung Pyroelektrischer Detektor

11 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 11 Photodioden sind Halbleiterelemente, die bei Bestrahlung ihre 1.Leitfähigkeit ändern und damit als Photowiderstände verwendet werden (Photoleiter) oder eine 2.Photospannung erzeugen und damit als lichtabhängige Spannungsquellen fungieren (Photovoltaische Detektoren) Photodiode

12 Energiezustände im Silizium ( 14 Si) Photodiode 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 12 Energie im Einzelatom 3p 4s Valenzband Leitungsband im Kristall Aufspaltung

13 Energiezustände im Silizium ( 14 Si) Photodiode 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 13 Energie im Einzelatomim Kristall Aufspaltung 3p 4s Valenzband Leitungsband EgEg

14 Energiezustände im Silizium ( 14 Si) Photodiode 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 14 Energie im Einzelatomim Kristall Aufspaltung 3p 4s Valenzband Leitungsband hυhυ EgEg

15 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 15 Vereinfachte Darstellung, passives Element –Absorption eines Photons mit h >E G hebt Elektron aus Valenz- ins Leitungsband –Dadurch entsteht ein sog. Elektron-Loch-Paar, das die elektrische Leitfähigkeit erhöht (und damit Ohmschen Widerstand vermindert) innerer photoelektrischer Effekt –Absorption bei kleineren Frequenzen durch Dotierung der Halbleiter, die in der Bandenlücke sog. Donatoren-oder Akzeptoren-Zustände schaffen Entstehung von Elektron-Loch Paaren schon bei geringeren Photonenenergien Photoleiter

16 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 16 Schaltung eines Photoleiters –Spannungsteiler, der Licht-abhängig arbeitet –Photoleiter ist passives Element, das äußere Spannungsquelle benötigt Photoleiter

17 Photodiode 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 17 Phosphor 5 Valenz e - Bor 3 Valenz e -

18 Photodiode 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 18 Phosphor 5 Valenz e - Bor 3 Valenz e - n-Dotierung p-Dotierung

19 Photodiode 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 19 Phosphor 5 Valenz e - Bor 3 Valenz e -

20 Photodiode 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 20 Phosphor 5 Valenz e - Bor 3 Valenz e - Elektronendiffusion

21 Photodiode 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 21 Phosphor 5 Valenz e - Bor 3 Valenz e Raumladung Diffusionsspannung V d

22 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 22 –Beim Anlegen einer äußeren Spannung ändert sich Feldstrom I und es ergibt sich folgende typische Kennlinie (ohne Beleuchtung) –Wird nun zusätzlich Licht eingestrahlt, entstehen in der Grenzschicht weitere Elektron-Loch-Paare, wobei Elektronen als Folge der Diffusionsspannung in den n-Bereich und Löcher in den p-Bereich wandern –Die Raumladung ändert sich um den Betrag V 0 (Photospannung) an den offenen Enden des Halbleiters (siehe Bild oben bei I =0) Photovoltaischer Detektor V 0 sog. Sättigungs- Dunkelstrom

23 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 23 - Die Photodiode Raumladung np + - I = 0 e-e- L+L+ + e-e- L+L+ hυhυ Potential [V] Länge Dotierung: n – Phosphor p – Bor I > 0 Ladungstrennung

24 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 24 –Werden die offenen Enden kurzgeschlossen, so fließt der Kurzschluss- Photonenstrom –Legt man äußere Spannung U an, so wird Gesamtstrom allgemein gegeben durch (Kurvenverlauf vorheriger Grafik) –Bei offenem Schaltkreis wird I =0 und man erhält Leerlaufspannung Fazit: Spannungsänderung ist ein Maß für Beleuchtungsstärke Photovoltaischer Detektor

25 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 25 –Kennlinie: Spannungsänderung (bzw. Stromfluss) als Funktion der Beleuchtungsstärke –Linearität prüfen! Photovoltaischer Detektor

26 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 26 CCD: charge coupled devices CMOS: complimentary metal oxide semiconductor 1D- oder 2D-Array-Detektoren, linear oder in einer Fläche angeordnete Pixel Unterscheidung in front- bzw. backside illuminated CCD CCD- und CMOS-Detektoren

27 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | Januar 2014 | Fachbereich MB | Institut RSM | 27 CCD- und CMOS-Detektoren Die Photodiode Genereller Aufbau eines CCD CMOS-Architektur CCD vs. CMOS Bildverstärkung

28 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 28 Die Photodiode - Raumladung np + Potential [V] Länge Ladungstrennung

29 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 29 Die Photodiode - Raumladung n p + Ladungstrennung

30 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 30 Genereller Aufbau µm 500 µm Quarzglas n(-) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Potential [V] Länge Polykristallines Silizium Gates H1H2 H3 H1H2 H3 TX (Transfergate) Gatebeschaltung

31 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 31 Belichtung p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Potential [V] Länge n(-) e-e- L+L Potential [V] Länge 1 Pixel (3-phasig)

32 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 32 Blooming – Übersprechen auf Nachbarpixel p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Potential [V] Länge n(-) e-e- L+L+

33 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 33 Ladungstransfer p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Potential [V] Länge n(-)

34 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 34 p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Potential [V] Länge n(-) Abtastknoten (sense node) n(+) n(+) Ladungstransfer

35 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 35 p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Potential [V] Länge n(-) n(+) Ladungstransfer

36 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 36 p(-) p(+) / (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Potential [V] Länge n(-) n(+) Ladungstransfer

37 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 37 p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Potential [V] Länge n(-) n(+) Ladungstransfer

38 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 38 Blooming bei zu steiler Flanke p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert Potential [V] Länge n(-) n(+)

39 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 39 Ausleseelektronik p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert [V] Länge n(-) n(+) Ausgangs- verstärker Reset-Schalter Messsignal U [V]Ladungsmenge sehr gering Potential [V]

40 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 40 Der Feldeffekttransistor n(-) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert n(+) IDID U DS U GS5 U GS4 U GS3 U GS2 U GS1 SGD Source Drain Gate G D S G D S IDID IDID

41 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 41 Der Feldeffekttransistor … als Gleichstromquelle n(-) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert n(+) IDID U DS U GS5 U GS4 U GS3 U GS2 U GS1 G D S G D S Gleichstromquelle U GS = konst. U DS > U DS,krit. I D = konst. variabler Widerstand SGD I GS2 IDID IDID

42 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 42 Der Feldeffekttransistor … als Source Folger n(-) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert n(+) IDID U DS U GS5 U GS4 U GS3 U GS2 U GS1 G D S G D S SGD Source Folger I D = konst. U DS > U DS,krit. U GS = konst. I GS2 IDID IDID

43 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 43 Der Feldeffekttransistor … als Schalter n(-) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert n(+) SGD IDID U DS U GS5 U GS4 U GS3 U GS2 U GS1 G D S G D S Schalter U GS = 0 I D = 0 Schalter ist aus U GS = konst. I D ~ U DS Schalter ist an IDID IDID

44 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 44 Ausleseelektronik Ausgangs- verstärker Reset-Schalter Messsignal U [V] n(+) VOUT VDD VBIAS VREF RS FET1 Gleichstromquelle FET2 Source Folger FET3 Schalter n(+) FET1 sorgt als Gleich- stromquelle für einen konstanten Strom von Erde nach VDD. Je nach Menge der Ladungs- träger auf dem Abtastknoten, stellt sich in FET2 eine Spannung zwischen Abtast- knoten und VOUT ein, die die Spannung zwischen VDD und VOUT durch den vorgegebenen Strom steuert. VOUT kann dann gegen Erde abgetastet werden. Durch Schalter FET3 können die Ladungen nach dem Auslesen von VOUT wieder abfließen.

45 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 45 Verbesserung der QE p(-) p(+) - (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert n(-) n(+) UV-Photonen Absorption im Polysilizium-Gate Keine QE Keine Abbildung VIS-Photonen Absorption in der Verarmungszone hohe QE Gute Abbildung NIR-Photonen Absorption im Substrat geringe QE Schlechte Abbildung 532nm ~50% Ausgangs- verstärker Reset-Schalter Messsignal U [V] n(+)

46 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 46 Verbesserung der Quanteneffizienz p(-) p(+) - n(-) n(+) Coating Aufdampfen einer dünnen Schicht ~1µm Absorption von UV in Schicht Re-emission von VIS-Photonen Erweiterte QE im UV Back Side Thinning Ätzen des Substrates Beleuchtung der Rückseite Keine Absorption in den Gates Höchste QE, auch im UV 532nm ~95% Ausgangs- verstärker Reset-Schalter Messsignal U [V] n(+)

47 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 47 Quanteneffizienz (QE) Quanteneffizienzen verschiedener state-of-the-art frontside illuminated CCDs

48 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 48 Verbesserung der QE - QE verschiedener backside illuminated CCDs ( Bezeichnung in Grafik BU und BV )

49 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 49 Einfacher Linearsensor p(-) p(+) n(-) n(+) transparente gates abgeschirmte gates sense node Aluminium H1 H2 H3 TX Ansicht von oben 1 Pixel (3-phasig) Ausgangs- verstärker Reset-Schalter Messsignal U [V]

50 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 50 Full Frame CCD H1 H2 H3 TX V1 V3 V2 p(+) Sperrschicht 1 Pixel (3-phasig) Ausgangs- verstärker Reset-Schalter Messsignal U [V]

51 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 51 Frame Transfer CCD H1 H2 H3 TX V1 V3 V2 V1upV3upV2up Ausgangs- verstärker Reset-Schalter Messsignal U [V]

52 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 52 Jedes Pixel wird in Abhängigkeit der lokalen Bestrahlung elektrisch geladen (Ladung Q) Pro Pixel gibt es eine maximale Kapazität, die vor allem von den Abmessungen des Pixels abhängen (typische Werte 20x20 µm) Diese maximale Kapazität wird als linear full well bezeichnet, typische Werte liegen zwischen und e - Auf jedem Pixel existiert auch Rauschen, vor allem Ausleserauschen und sog. Photonenrauschen Dieses Rauschen limitiert den echten dynamischen Bereich i.d.R. unter die bei der Digitalisierung eingesetzte Dynamik (bis zu 16 bit) Bemerkungen zur Dynamik

53 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 53 Beispiel –Linear full well e - maximales Signal –Ausleserauschen 10 e - rms (Photonenrauschen wird an dieser Stelle der Einfachheit halber nicht berücksichtigt, außerdem sei Dunkelstrom auch vernachlässigbar – dies gilt vor allem bei kurzen Belichtungszeiten und gekühltem CCD) minimales Signal –Echte Dynamik = maximales Signal/minimales Signal Bemerkungen zur Dynamik

54 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 54 Bemerkungen zum Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) –Rauschen berechnet sich aus Anteil Dunkelstrom, Ausleserauschen und Photonen(Signal)rauschen –Bei kurzen Belichtungszeiten ist Rauschen des Dunkelstroms vernachlässigbar –Bei hohen Signalen ist Ausleserauschen auch vernachlässigbar, dann gilt mit Zahl der Ladungsträger N (proportional zu Photonenzahl) auf einem bestimmten Pixel –Für Signal gilt SNR: –Bei geringen Signalintensitäten spielt aber immer auch das Ausleserauschen eine Rolle Signal-Rausch Verhältnis (SNR)

55 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 55 CMOS TX Ausgangs- verstärker Reset-Schalter Messsignal U [V] Reihen- Wahl- schalter Schematischer Aufbau eines CMOS Pixel

56 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 56 CMOS Aufbau eines CMOS Pixel Transistoren auf dem Pixel reduzieren den Mikrolinsen werden genutzt, um das einfallende Licht auf die photosensitive Zone zu lenken

57 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 57 CMOS VDD VBIAS VREF RS TX VDD VBIAS VREF RS TX VDD VBIAS VREF RS TX VDDVREF RS TX VDDVREF RS TX VDDVREF RS TX Multi- plexer VOUT ROW select COLUMN select

58 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 58 CCD vs. CMOS + CMOS einstellbarer aktiver Bereich schnelles paralleles Auslesen - CMOS Räumliche Inhomogenitäten wegen Fertigungstoleranzen in einzelnen Pixeln Offset Nichtlineare Kennlinie

59 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 59 CCD vs. CMOS CCDCMOS Pixel- homogenität sehr gut ein Ausgangsverstärker Mittelmäßig ein Verstärker pro Pixel Signal- Rausch- Verhältnis Gut – ohne Kühlung Sehr gut – mit Kühlung Mittelmäßig Viel Elektronik auf kleinem Raum (thermische Einflüsse) Geschwindig- keit Langsam alle Ladungen werden zu einem Ausgangsverstärker geschoben (~ 10 Hz) Sehr schnell Auswertungselektronik auf jedem Pixel (~ 600 kHz) Arbeitspunkt- einstellung Höhere Arbeitspannung, größerer Regelbedarf Konstant, niedrige Arbeitsspannung über alle Betriebsbereiche Fensterung Begrenzt möglichEinfach realisierbar Blooming janein

60 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 60 Bildverstärkung Prinzip der Restlichtverstärkung MCP arbeitet nach dem Prinzip der Sekundärelektronenvervielfachung Photo- kathode Kamera- chip Mess- objekt e - hνhν Phosphor hνhν Multi Channel Plate Hochspannung Gain = 40 %Gain = 50 %Gain = 65 %

61 Ende Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 61

62 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 62 Teils Alternative zu intensivierten Systemen Besonderheit –Ladungsverstärkung findet nicht in einem MCP vor der CCD/CMOS statt, sondern zwischen Verschieberegister und Vorverstärker in einem speziellen Verstärkungsregister EMCCD (electron multiplying CCD)

63 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 63 –Im Verstärkungsregister (bestehend aus den Elektroden R1, R2, R3, s. Bild nächste Folie) können sehr große Potentialdifferenzen im Unterschied zu normalen Schieberegistern erzeugt werden, die keine so hohe Potentialdifferenzen zwischen den Elektroden aufweisen –Wird ein Elektron in einen tiefen Potentialtopf verschoben kommt es zu dem sog. Avalanche-Effekt ( impact ionization) und damit zur Erzeugung neuer Elektronen –Verstärkungsfaktor liegt pro Pixel-Übergang bei ca. 1,015, ist also gering –Daher wird der Prozess häufig wiederholt (~ mehrere 100 mal), um große Verstärkungsfaktoren von bis zu 1000 zu erhalten EMCCD

64 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 64 Veranschaulichung des Avalanche-Effektes im Verstärkungsregister Typische Quanteneffizienz Verschieben Verstärken EMCCD

65 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 65 Vorteile –Während ICCD in Folge zu hoher Strahlungsbelastung relativ leicht zerstört werden kann, kann dies bei EMCCD nicht passieren –Bei Kleinsignalen kann bei konstantem Ausleserauschen die Ladungsmenge verstärkt werden und damit das Signal-Rausch- Verhältnis verbessert werden EMCCD

66 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 66 Gerät zur Messung kurzer Lichtpulse Prinzipskizze –Kurzer Lichtimpuls fällt auf Photokathode und erzeugt dort kurzen Photoelektronenimpuls –Die Photoelektronen werden durch hohes elektrisches Feld in z-Richtung beschleunigt –An Ablenkelektroden wird ein zeitlich variables Feld in y-Richtung angelegt Streak-Kamera

67 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 67 –Elektronen treffen auf dem Leuchtschirm (Phosphor) an unterschiedlichen Positionen in y-Richtung in Abhängigkeit der zeitlich variierten Ablenkspannung auf –Die räumliche Verteilung der Elektronen spiegelt daher den zeitlichen Verlauf der Intensität des Lichtpulses wider –Elektronen werden mittels Phosphor zu Licht (Lichtschirm) gewandelt und entweder direkt mit einer CCD beobachtet (nicht im Bild nicht) … oder vorab mittels MCP verstärkt und dann mit CCD nachgewiesen Streak-Kamera

68 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 68 Prinzipdarstellung des zeitlichen Streaks: Typische Daten –Ablenkgeschwindigkeiten werden über die Ablenkspannung eingestellt, reichen von 1cm/100ps bis 1cm/10 ns –Es ergeben sich maximale Zeitauflösungen von ~0,5ps Photoelektronenpuls Streak-Kamera

69 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 69 Beispiel der Fa. Hamamatsu Streak-Kamera

70 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 70 Alternative Methode zur Messung kurzer Lichtpulse durch optischen Korrelator Prinzip Korrelationsmessung

71 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 71 –Lichtimpuls wird mit Strahlteiler in 2 Teilimpulse I 1 und I 2 aufgeteilt, die unterschiedliche optische Wege durchlaufen –Die Teilpulse werden in einem zweiten Strahlteiler SP wieder vereinigt –Die Gesamtintensität wird unter Berücksichtigung des Wegunterschieds x, der langsam variiert wird, zu –Bei gleicher Intensität der Teilwellen gilt Korrelationsmessung

72 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 72 –Werden die wieder vereinigten Teilwellen nun durch einen nicht-linear wirkenden Kristall (z.B. zur Frequenzverdopplung) gesendet, gilt für das Signal S am Detektor (der frequenzverdoppeltes Licht detektiert) Unabhängig von Kann man wegfiltern abhängig von Enthält Information über Pulsform Korrelationsmessung

73 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 73 Untergrundsfreie Messung der Korrelationsfunktion –Nur 2. Harmonische (= frequenzverdoppeltes Licht) passiert die Blende vor dem Detektor, konstanter Untergrund wird ausgeblendet Korrelationsmessung

74 11. Januar 2014 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 74 Zusammenhang Auto-Korrelationspuls und Länge des Lichtpulses –Hängt von Pulsform ab –Sei Lichtpuls Gauß-förmig in der Zeitdimension, dann gilt für das Verhältnis der Breiten von Auto-Korrelationsprofil ( ) zu Lichtimpuls ( ) Korrelationsmessung


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