Optische Detektoren Andreas Dreizler

Übersicht Einleitung Sekundärelektronenvervielfacher Pyroelektrischer Detektor Photodiode CCD- und CMOS-Detektoren EMCCD-Detektor Streak-Kamera Optischer Korrelator 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 2

Einleitung Aufgabe von optischen Detektoren Unterscheidung nach 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 ... 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 3

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 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 4

Äußerer Photoelektrische Effekt Lichtquant hn muss mindestens Energie zum Herauslösen von Elektronen aus dem Kathodenmaterial aufbringen Der Rest wird in kinetische Energie T überführt 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 5

SEV Prinzip SEV 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 6

SEV Charakteristika Hohe Empfindlichkeit und Dynamik Verstärkungsfaktor bis ~106 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 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 7

SEV 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 Austrittsarbeit der Photoelektronen 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 8

Pyroelektrischer Detektor 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 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 9

Pyroelektrischer Detektor Aufbau e ändert sich bei Bestrahlung 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 10

Photodiode Photodioden sind Halbleiterelemente, die bei Bestrahlung ihre Leitfähigkeit ändern und damit als Photowiderstände verwendet werden (Photoleiter) oder eine Photospannung erzeugen und damit als lichtabhängige Spannungsquellen fungieren (Photovoltaische Detektoren) 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 11

Photodiode Energiezustände im Silizium (14Si) Energie im Kristall Aufspaltung 4s Valenzband Leitungsband 3p im Einzelatom 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 12

Photodiode Energiezustände im Silizium (14Si) Energie Aufspaltung 4s Leitungsband Eg 3p Valenzband im Einzelatom im Kristall 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 13

Photodiode Energiezustände im Silizium (14Si) Energie Aufspaltung 4s Leitungsband Eg hυ 3p Valenzband im Einzelatom im Kristall 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 14

Photoleiter Vereinfachte Darstellung, passives Element Absorption eines Photons mit hn>EG 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 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 15

Photoleiter Schaltung eines Photoleiters Spannungsteiler, der Licht-abhängig arbeitet Photoleiter ist passives Element, das äußere Spannungsquelle benötigt 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 16

Photodiode Phosphor 5 Valenz e- Bor 3 Valenz e- 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 17

Photodiode n-Dotierung p-Dotierung Phosphor 5 Valenz e- Bor 3 Valenz e- n-Dotierung p-Dotierung 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 18

Photodiode Phosphor 5 Valenz e- Bor 3 Valenz e- 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 19

Photodiode Elektronendiffusion Phosphor 5 Valenz e- Bor 3 Valenz e- 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 20

+ - + - Photodiode Raumladung Diffusionsspannung Vd Phosphor 5 Valenz e- Bor 3 Valenz e- + - Raumladung + - Diffusionsspannung Vd 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 21

Photovoltaischer Detektor 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 DV0 (Photospannung) an den offenen Enden des Halbleiters (siehe Bild oben bei I=0) DV0 sog. Sättigungs- Dunkelstrom 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 22

Die Photodiode Potential [V] e- L+ hυ Dotierung: n – Phosphor p – Bor Ladungstrennung e- L+ - Länge Raumladung n p + - I > 0 I = 0 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 23

Photovoltaischer Detektor 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 F 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 24

Photovoltaischer Detektor Kennlinie: Spannungsänderung (bzw. Stromfluss) als Funktion der Beleuchtungsstärke Linearität prüfen! 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 25

CCD- und CMOS-Detektoren 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 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 26

CCD- und CMOS-Detektoren Die Photodiode Genereller Aufbau eines CCD CMOS-Architektur CCD vs. CMOS Bildverstärkung 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 27 27. März 2017 | Fachbereich MB | Institut RSM | 27 27. März 2017 | | 27

Die Photodiode - Raumladung n p + Potential [V] Länge Ladungstrennung 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 28

Die Photodiode + - n Raumladung p Ladungstrennung 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 29

Genereller Aufbau ++ + - Länge + - ++ - n(-) p(-) p(+) 10 µm 500 µm Potential [V] Länge Gates H1 H2 H3 TX (Transfergate) Gatebeschaltung + - Polykristallines Silizium ++ - Quarzglas n(-) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert 10 µm 500 µm 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 30

Belichtung ++ + - Länge Länge - + ++ + - - + e- L+ - - + - ++ n(-) Potential [V] Länge Länge - Potential [V] + ++ 1 Pixel (3-phasig) + - - + e- L+ - - + - ++ n(-) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert - 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 31

Blooming – Übersprechen auf Nachbarpixel Länge - Potential [V] + ++ + - - + - - + - ++ n(-) e- L+ p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert - 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 32

Ladungstransfer Länge - + ++ + - - + - - + - ++ n(-) p(-) p(+) - Potential [V] + ++ + - - + - - + - ++ n(-) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert - 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 33

Ladungstransfer Länge - + ++ + + - + + - + + ++ n(-) p(-) p(+) - Potential [V] + ++ + + - + + - + + ++ n(-) Abtastknoten (sense node) n(+) n(+) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert - 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 34

Ladungstransfer Länge - + ++ + + - + + - + + ++ n(-) p(-) p(+) - Potential [V] + ++ + + - + + - + + ++ n(-) n(+) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert - 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 35

Ladungstransfer Länge - + ++ +/- + - +/- + - +/- + ++ n(-) p(-) p(+) - Potential [V] + ++ +/- + - +/- + - +/- + ++ n(-) n(+) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert - 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 36

Ladungstransfer Länge - Potential [V] + ++ - + - - + - - + ++ n(-) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert - 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 37

Blooming bei zu steiler Flanke Länge - Potential [V] + ++ - + - - + - - + ++ n(-) n(+) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert - 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 38

Ausleseelektronik Länge - Potential [V] + ++ [V] + + - + + - + + n(-) Ladungsmenge sehr gering Potential [V] + ++ Ausgangs- verstärker Reset-Schalter Messsignal U [V] [V] + + - + + - + + n(-) n(+) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert - 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 39

Der Feldeffekttransistor ID UDS UGS5 UGS4 UGS3 UGS2 UGS1 S G D Source Drain Gate ID n(-) n(+) n(+) ID p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 40

Der Feldeffekttransistor … als Gleichstromquelle ID UGS5 Gleichstromquelle UGS = konst. UDS > UDS,krit. ID = konst. variabler Widerstand UGS4 G D S UGS3 ID UGS2 IGS2 UGS1 S G D D UDS G n(-) n(+) n(+) ID p(-) S p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 41

Der Feldeffekttransistor … als Source Folger ID UGS5 Source Folger ID = konst. UDS > UDS,krit. UGS = konst. UGS4 G D S UGS3 ID UGS2 IGS2 UGS1 S G D D UDS G n(-) n(+) n(+) ID p(-) S p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 42

Der Feldeffekttransistor … als Schalter ID UGS5 Schalter UGS = 0  ID = 0 Schalter ist aus UGS = konst.  ID ~ UDS Schalter ist an UGS4 G D S UGS3 ID UGS2 UGS1 S G D D UDS G n(-) n(+) n(+) ID p(-) S p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 43

FET1 Gleichstromquelle Ausleseelektronik 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. VOUT VDD VBIAS VREF RS FET1 Gleichstromquelle FET2 Source Folger FET3 Schalter n(+) Ausgangs- verstärker Reset-Schalter Messsignal U [V] n(+) 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 44

Verbesserung der QE Quanteneffizienz @ 532nm ~50% UV-Photonen Absorption im Polysilizium-Gate Keine QE Keine Abbildung Quanteneffizienz @ 532nm ~50% VIS-Photonen Absorption in der Verarmungszone hohe QE Gute Abbildung NIR-Photonen Absorption im Substrat geringe QE Schlechte Abbildung Ausgangs- verstärker Reset-Schalter Messsignal U [V] n(+) n(-) n(+) p(-) p(+) (-) schwach dotiert, (+) stark dotiert - 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 45

Verbesserung der Quanteneffizienz 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 Ausgangs- verstärker Reset-Schalter Messsignal U [V] n(+) n(-) n(+) p(-) p(+) Quanteneffizienz @ 532nm ~95% - 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 46

Quanteneffizienz (QE) Quanteneffizienzen verschiedener state-of-the-art frontside illuminated CCDs 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 47

Verbesserung der QE QE verschiedener backside illuminated CCDs (Bezeichnung in Grafik BU und BV) - 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 48

Einfacher Linearsensor Aluminium n(-) n(+) p(-) p(+) Ausgangs- verstärker Reset-Schalter Messsignal U [V] transparente gates abgeschirmte gates sense node H1 H2 Ansicht von oben H3 TX 1 Pixel (3-phasig) 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 49

Full Frame CCD p(+) Sperrschicht 1 Pixel (3-phasig) Ausgangs- verstärker Reset-Schalter Messsignal U [V] H1 V3 V2 V1 H2 H3 TX 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 50

Frame Transfer CCD Ausgangs- verstärker Reset-Schalter V3up V2up V1up Ausgangs- verstärker Reset-Schalter Messsignal U [V] V3 V2 V1 H1 H2 H3 TX 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 51

Bemerkungen zur Dynamik 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 50.000 und 800.000 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) 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 52

Bemerkungen zur Dynamik Beispiel Linear full well 200.000 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 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 53

Signal-Rausch Verhältnis (SNR) 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 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 54

CMOS Schematischer Aufbau eines CMOS Pixel Ausgangs- verstärker Reset-Schalter Messsignal U [V] Reihen- Wahl- schalter TX 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 55

CMOS Aufbau eines CMOS Pixel Transistoren auf dem Pixel reduzieren den Mikrolinsen werden genutzt, um das einfallende Licht auf die photosensitive Zone zu lenken 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 56

CMOS Multi- plexer VREF VDD VREF VDD VREF VDD RS RS RS ROW select TX VBIAS VBIAS VBIAS COLUMN select Multi- plexer VOUT 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 57

+ CMOS - CMOS CCD vs. CMOS einstellbarer aktiver Bereich schnelles paralleles Auslesen - CMOS Räumliche Inhomogenitäten wegen Fertigungstoleranzen in einzelnen Pixeln Offset Nichtlineare Kennlinie 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 58

Signal-Rausch-Verhältnis Arbeitspunkt-einstellung CCD vs. CMOS CCD CMOS 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 möglich Einfach realisierbar Blooming ja nein 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 59

Bildverstärkung Prinzip der Restlichtverstärkung MCP arbeitet nach dem Prinzip der Sekundärelektronenvervielfachung e - Mess-objekt hν Photo-kathode e - hν Multi Channel Plate Hochspannung Phosphor Kamera-chip Gain = 40 % Gain = 50 % Gain = 65 % 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 60

Ende 1.12.11 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 61

EMCCD (electron multiplying CCD) 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 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 62

EMCCD 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 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 63

EMCCD Veranschaulichung des Avalanche-Effektes im Verstärkungsregister Typische Quanteneffizienz Verschieben Verstärken 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 64

EMCCD 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 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 65

Streak-Kamera 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 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 66

Streak-Kamera 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 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 67

Streak-Kamera 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 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 68

Streak-Kamera Beispiel der Fa. Hamamatsu 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 69

Korrelationsmessung Alternative Methode zur Messung kurzer Lichtpulse durch optischen Korrelator Prinzip 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 70

Korrelationsmessung Lichtimpuls wird mit Strahlteiler in 2 Teilimpulse I1 und I2 aufgeteilt, die unterschiedliche optische Wege durchlaufen Die Teilpulse werden in einem zweiten Strahlteiler SP wieder vereinigt Die Gesamtintensität wird unter Berücksichtigung des Wegunterschieds Dx, der langsam variiert wird, zu Bei gleicher Intensität der Teilwellen gilt 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 71

Korrelationsmessung 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 t Kann man wegfiltern abhängig von t Enthält Information über Pulsform 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 72

Korrelationsmessung Untergrundsfreie Messung der Korrelationsfunktion Nur 2. Harmonische (= frequenzverdoppeltes Licht) passiert die Blende vor dem Detektor, konstanter Untergrund wird ausgeblendet 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 73

Korrelationsmessung 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 (Dt) zu Lichtimpuls (DT) 27. März 2017 | Fachbereich MB | Prof. Dr. A. Dreizler, Dipl.-Ing. C. Heeger | 74