DETEKCE A ZPRACOVÁNÍ OPTICKÉHO SIGNÁLU Antonín Černoch Společná laboratoř optiky UP a FZÚ AV ČR Regionální centrum pokročilých technologií a materiálů CZ107/2200/070018 AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 1 / 30
Obsah 1 Úvod 2 Detektory přehled 3 Jednofotonové detektory 4 TAC/SCA AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 2 / 30
Úvod Obsah 1 Úvod 2 Detektory přehled 3 Jednofotonové detektory 4 TAC/SCA AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 3 / 30
Úvod Úvod Světelná energie dopadá na detektor, který vyšle elektrický signál obsahující informaci o: intenzitě (počtu fotonů) době detekce?? Rychlost šíření signálu světlo ve vakuu 299 792 458 m/s, metr za 333 ns světlo ve vlákně v = c/n, metr za 5 ns (n = 15) elektrický impulz v koaxiálním kabelu metr za 5 ns AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 4 / 30
Detektory přehled Obsah 1 Úvod 2 Detektory přehled 3 Jednofotonové detektory 4 TAC/SCA AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 5 / 30
Detektory přehled Typy detektorů Fotonové detektory oko fotografie fotoelektrický jev vnitřní fotoodpor, fotodioda, lavinová fotodioda (APD) vnější fotonka, fotonásobič, mikrokanálkový zesilovač Termální detektory změna teploty vlivem absorpce fotonů Koherentní detektory schopné určit fázi dopadajícího záření AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 6 / 30
Typy detektorů Fotoodpor Fotodoida
Detektory přehled Fotoefekt a) - Volný elektron b) Nejbližší vyšší pás Vakuum - Volný elektron c) Vakuum h Vodivostní pás kovu W Fermiho hladina h Vodivostní pás - h + + Valenční pás polovodiče E g W AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 7 / 30
Ionizační energie prvků
Výstupní práce kovů Práce nutná k vytržení elektronu z krystalu v elektronvoltech (ev) krystal dodaná energie - volný elektron
Detektory přehled Vnitřní a vnější fotoefekt Vnitřní fotoefekt Fotoodpor změna vodivosti materiálu s intenzitou dopadajícího záření Fotodioda excitace elektron-děrových párů v ochuzené oblasti p-n přechodu APD lavinová fotodioda, urychlovací napětí excitace dalších nosičů nárazovou ionizací, jednofotonová citlivost, binární detektor Vnější fotoefekt Fotonka fotokatoda a anoda Fotonásobič sekundární emise, zesílení až 10 7 MCP mikrokanálkový zesilovač, prostorové rozlišení AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 8 / 30
Detektory přehled Ostatní typy Termální detektory absorbce fotonů změna teploty změna vlastností materiálu (většinou elektrických) pomalá odezva (10 3 s) bolometry a spol Koherentní detektory reakce na změnu velikosti elektrického pole signálu, možnost určení fáze dopadajících fotonů IČ po rádio homodynní detekce AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 9 / 30
Jednofotonové detektory Obsah 1 Úvod 2 Detektory přehled 3 Jednofotonové detektory 4 TAC/SCA AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 10 / 30
Jednofotonové detektory Proč detekovat jednotlivé fotony? v klasické optice každý foton se počítá (např v astronomii) v kvantové optice/informatice 1 čítání časově korelovaných fotonových párů 2 distribuce tajného klíče v kvantové kryptografii 3 lineárně optické kvantové počítání částicová fyzika biomedicína měření znečištění atmosféry LIDAR AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 11 / 30
Detekční události Jednofotonové detektory navazovací optika konverze fotonu na fotoelektron popř elektron-děrový pár zesílení na makroskopickou úroveň určení rozmezí šum/detekce fotonu N h v c M e - zisk zesilovač integrátor navazovací optika s z int z ext vzorkování AD konv detektor AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 12 / 30
Jednofotonové detektory Charakteristiky jednofotonových detektorů Spektrální vlastnosti závislost kvantové účinnosti η na vlnové délce Časové vlastnosti mrtvá doba jitter ( t) Šumové vlastnosti četnost temných pulzů pravděpodobnost afterpulzů Pravděpodobnost detekce 1 5 10-12 5 10-22 5 10-32 5 10-42 5 10-5 2 5 10-6 2 t Mrtvá doba Následné pulzy (afterpulses) 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Čas [ns] AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 13 / 30
Jednofotonové detektory Typy jednofotonových detektorů 1 binární detektory (ano/ne) 2 multimodové binární detektory smyčkové detektory mnohapixelové fotonové čítače MPPC masivně multikanálový detektor EM-CCD, iccd 3 speciální detektory hybridní fotodetektory speciální fotonásobič detektory na hraně supravodivosti VLPC atomové mraky supravodivá nanovlákna kvantové tečky a defekty AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 14 / 30
Binární detektory Jednofotonové detektory c Martin Hamar AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 15 / 30
Jednofotonové detektory Lavinová fotodioda v geigerově módu p - 3 h + Excitace - 1 + Urychlení díry Urychlení elektronu - Excitace 2 + E g n E c E v x p-n popř p-i-n přechod pod vysokým závěrným napětím V > V break lavinové násobení aktivní a pasivní zhášení mrtvá doba Materiály VIS Si, 400 1 000 nm, η max = 75 %, D < 100/s NIR Ge, InGaAs/InP, η max 20 %, D 5000/s, pomalejší AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 16 / 30
Jednofotonove detektory SPCM Single photon counting module Perkin-Elmer EG&G Canada SPCM-AQR-14(-FC) ηmax 73 % na 700 nm D < 100/s maxima lnı opakovacı frekvence 16 MHz AC (SLO/RCPTM) Detekce a zpracova nı opticke ho signa lu 17 / 30
Jednofotonové detektory Multimodové binární detektory c Martin Hamar AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 18 / 30
Jednofotonové detektory Časové a prostorové rozdělení Časové rozdělení Prostorové rozdělení t > mrtvá doba více kanálů než fotonů nenulová pravděpodobnost více fotonů na jeden kanál rekonstrukce fotonové statistiky AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 19 / 30
Vláknová smyčka Jednofotonové detektory Výhody jednoduché a levné malé ztráty nastavitelný dělící poměr VRC jen jeden detektor Nevýhody různé pravděpodobnosti časových kanálů omezený počet kanálů omezení opakovací frekvence AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 20 / 30
Jednofotonové detektory N-kanálový vláknový detektor pevně daný počet kanálů nevyvážené pravděpodonosti jen díky nedokonalostem omezuje opakovací frekvenci potřeba dvou detektorů AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 21 / 30
Jednofotonové detektory MPPC Multi photon counting module matice APD sdílející jednu elektroniku zpracovávající signál mnoho temných detekcí přeslechy chlazení Peltierovým článkem komerčně dostupné, snadno ovladatelné AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 22 / 30
Jednofotonové detektory Hamamatsu C11208-03 10x10 pixelů o velikosti 100x100 µm spektrální citlivost 320-900 nm, maximum na 440 nm η = 50% @440nm, D =40 000/s 07 Analogový výstup Napětí [V] 06 05 04 03 02 01 00 0 50 100 150 Čas [ns] AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 23 / 30
EM-CCD kamera obrazová část ukládací sekce Jednofotonové detektory čtecí registr U 3 U 1 U dc U 2 U 3 U 1 násobný registr nastavitelné zesílení multiplikace elektronů přímo na čipu signál z fotonové detekce se dostane nad odečítací šum, ale ztratí se informace o počtu fotonů AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 24 / 30 t 1 t 2
Jednofotonové detektory Andor DU 888 Back Illuminated rozlišení 1024 1024 velikost pixelu 13 13 µm kapacita pixelu senzoru - 80 ke zesilovacího registru - 730 ke odečítací šum 49 e při 10 MHz, s EM < 1 EM zisk 1-1 000 η max = 925% @ 580 nm AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 25 / 30
Jednofotonové detektory iccd kamera V k V 1 V 2 V f CCD h e - e - e - Svazek vláken Fotokatoda MCP Fluorescenční obr V 1 V 2 - n e zesilovač obrazu fotokatoda MCP mikrokanálková destička fluorescenční obrazovka chlazený CCD čip nízkošumová elektronika AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 26 / 30
Jednofotonové detektory nízkošumová elektronika malá opakovací frekvence 50 Hz až 500 khz pevné zesílení podle napětí na MCP snížené prostorové rozlišení kvantová účinnost závisí na účinnosti fotokatody, elektronového transportu, navázání do vláken a CCD kamera Andor DH 734 PI-MAX 512 HQ rozlišení 1024 1024 512 512 hrana pixelu [µm] 13 19 spektrální rozsah [nm] 300-900 500-900 η max [%] 20 5 na [nm] 500 600 AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 27 / 30
TAC/SCA Obsah 1 Úvod 2 Detektory přehled 3 Jednofotonové detektory 4 TAC/SCA AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 28 / 30
TAC/SCA Zpracování jednofotonových událostí elektronické moduly pro zpracování jednofotonových událostí rozlišení současných detekcí (koincidencí) krátké časové intervaly (ns) mezi příchody pulzů lze měřit obtížně pokud je délka pulzů delší Elektrické impulzy TTL +5 V (z APD 5 V, 20 ns) NIM -1 V AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 29 / 30
TAC/SCA Schéma zpoždění TAC SCA detektory TTL/NIM start stop 10 V 0 V TTL/NIM PC counter TAC Time to amplitude convertor, převádí časové zpoždění na amplitudu napět ového pulzu SCA Single Channel analyzer, rozlišuje pulzy podle velikosti AČ (SLO/RCPTM) Detekce a zpracování optického signálu 30 / 30