Monochromator und diodenbasierte Detektion

Zum Einsatz kommt ein kompakter Monochromator⁴ mit zwei verschiedenen Gittern. Eines mit 600 Strichen/mm und 500 nm Blaze-Wellenlänge für den Spektralbereich 350 nm - 1300 nm und eines mit ebenfalls 600 Strichen/mm und 1200 nm Blaze-Wellenlänge für den Spektral-bereich 800 nm - 3000 nm. Durch die Wahl der Spaltbreiten am Eingang und Ausgang des Monochromators lässt sich die spektrale Bandbreite von 2 nm mit 125 µm breiten Spalten bis auf 15 nm mit 600 µm breiten Spalten variieren. Direkt am Ausgang befindet sich eine Diodenschaltung zur balancierten Detektion der Abfrage-Impulse. Dazu wird noch vor der Probe ein Referenz-Impuls vom Abfrage-Impuls abgespalten und ebenfalls parallel durch den

4CM110 mit Brennweite 110 mm der Firma Spectral Products

+9V

−9V Iph

33 kΩ TIA DLPCA-200

Lock in

fref

UHFLI

Calc. ^∆T_T Lab PC

Abbildung 2.21.:Schaltbild der balancierten Diodenschaltung mit Messelektronik. Der Photostrom Iphwird mit einem Transimpedanzverstärker (TIA) verstärkt und das Spannungssignal in den Lock-in-bzw. Boxcar-Messverstärker geführt. Die Auswertung erfolgt am Laborcomputer.

Aufbau geführt. Ein Laufzeitunterschied und gleichzeitiger Strahlversatz verhindert, dass der Referenz-Impuls ein Anrege-Abfrage-Signal trägt. Abfrage- und Referenz-Impuls durchlaufen den Monochromator mit vertikalem Versatz und werden am Ausgang des Monochromators auf zwei verschiedene Dioden fokussiert. Für Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich kommen dazu großflächige Siliziumdioden⁵ mit 2.4·2.8 mm² aktiver Fläche zum Einsatz.

Abbildung 2.21 zeigt die Diodenschaltung und die nachfolgenden Geräte. Die Dioden sind ge-gengleich vorgespannt, sodass sich die Photoströme beider Dioden physikalisch subtrahieren.

Falls das Signal direkt ausgewertet werden soll, kann das Diodensignal über einem Lastwider-stand von 33 kΩ abgegriffen werden (gestrichelt eingezeichnet). In den meisten Fällen ist der Photostrom allerdings sehr klein und wird zuerst mit einem speziellen extrem rauscharmen Stromverstärker⁶ (TIA) verstärkt. Dieser Transimpedanzverstärker wandelt den Photostrom rauscharm mit einer Verstärkung von 10³V A⁻¹ bis 10¹¹V A⁻¹ in ein Spannungssignal um.

Im Anrege-Abfrage-Experiment werden die Anrege-Impulse durch die bereits beschriebe-ne Pockelszelle geschalten. Die Information im Signal der Abfrage-Impulse ist daher mit der Schaltfrequenz der Pockelszelle moduliert und muss im nächsten Schritt demoduliert werden. Dazu steht ein digitaler Lock-in-Verstärker⁷ mit eingebauter Option eines Boxcar-Messverstärkers zur Verfügung. Die Wahl zwischen den beiden Verstärkern entscheidet sich durch die Charakteristik der Rauschquellen, der möglichen Modulationsfrequenz und der Bandbreite des Transimpedanzverstärkers. Beträgt die Modulationsfrequenz f = f_rep/2 = 25 kHz, also die Hälfte der Repetitionsrate, ist der Betrieb des Boxcar-Messverstärkers vorteil-haft, da in diesem Fall Rauschbeiträge bisfrep/4 = 12.5 kHz herausgefiltert werden. Um dies zu ermöglichen, muss die Verstärkungsbandbreite des Transimpedanzverstärkers mindestens 50 kHz betragen, damit die einzelnen Laserimpulse im Diodensignal aufgelöst werden können.

Das Diodensignal wird dabei zunächst mit der maximalen Bandbreite des Analog-Digital-Wandlers (hier 600 MHz) digitalisiert. Der Messverstärker erhält ein zusätzliches

Referenz-5Si PIN Photodiode S1223 der Firma Hamamatsu

6Low Noise Current Amplifier DLPCA-200 der Firma Femto

7UHFLI Lock-in Amplifier und UHF-BOX Boxcar Averager Option der Firma Zurich Instruments

2.4. Anrege-Abfrage-Geometrie und Detektion

Time (µs)

0 20 40

Boxcar

Duty cycle

∆t < Tperiod

Pump Probe

Ip I0

Abbildung 2.22.:Impulszug im Boxcar-Messverstärker. Boxcar-Integrationsfenster (rot) mit Dauer

∆t (duty cycle) kleiner als die Periodendauer. Das Diodensignal der Abfrage-Impulse (blau) wird bei aktivem Integrationsfenster aufintegriert. Zur Verdeutlichung der zeitlichen Abfolge ist unten (schwarz) die Ankunft der Anrege-Impulse eingezeichnet.

signal mit der Frequenz der Pockelszelle. Damit wird das in Abbildung 2.22 gezeigte Boxcar-Fenster getaktet, welches einen Ausschnitt aus dem digitalisierten Diodensignal der Abfrage-Impulse integriert. Die Dauer des Integrationsfensters ∆t (duty cycle) ist so bemessen, dass dieses maximal 70 % der PeriodendauerT aufeinander folgender Laser-Impulse entspricht. Auf diese Weise trägt nur das eigentliche Diodensignal bei, nicht jedoch das Rauschen zwischen den Impulsen. Dabei erlaubt es die Geschwindigkeit des Messverstärkers jedes einzelne Boxcar-Fenster individuell auszuwerten. Die Abbildung zeigt die Intensitätsänderung im Diodensignal der Abfrage-Impulse (blau) in Anwesenheit der Anrege-Impulse. Zur Auswertung der anre-gungsinduzierten Änderung wird daher das Integral des gepumpten Abfrage-ImpulsesI_p mit dem des ungepumpten I₀ verglichen:

Anrege−Abfrage−Signal = I_p−I₀ I0

. (2.29)

Indem die Differenz zusätzlich durch I₀ geteilt wird, ergibt sich die relative Intensitätsände-rung, bzw. das Anrege-Abfrage-Signal. Fluktuationen in der Intensität der Abfrage-Impulse werden auf diese Weise sehr effektiv herausgerechnet, solange die Frequenz der Fluktuationen unterhalb der Modulationsfrequenz liegt.

In Situationen, in denen die Modulation der Anrege-Impulse nicht mit der Pockelszelle erfolgen kann oder der Transimpedanzverstärker mit besonders großer Verstärkung und einer Bandbreite unter 50 kHz betrieben wird, erfolgt die optimale Demodulation durch den Lock-in-Verstärker. Dieser mischt das modulierte Diodensignal mit der Referenzfrequenz, wodurch die Summen- und Differenzfrequenzen aus beiden Eingängen entstehen. Anschließend redu-ziert ein Tiefpassfilter die Bandbreite beträchtlich und es werden nur die gleichgerichteten Komponenten der Differenzfrequenz behalten. Zufällig verteilte Rauschanteile korrelieren nicht mit der Referenzfrequenz und mischen nicht zur Frequenz null. Am Ausgang des Lock-in-Verstärkers kann dann die absolute IntensitätsänderungI_p−I₀ abgelesen werden. Das Di-odensignal der Abfrage-ImpulseI₀wird hier in einem zusätzlichen Schritt bestimmt. Relevant ist die Übertragungsfunktion des Aufbaus aus Diodenschaltung, Transimpedanzverstärker,

und Lock-in-Verstärker. Zu deren Bestimmung wird der Modulator (hier ein Chopper) im Abfrage-Strahlengang platziert. Das erhaltene Signal mit maximaler Modulation ist dann die gesuchte IntensitätI0. Aus praktischen Gründen kann der Chopper nicht vor jeder Messung bewegt werden und die Übertragungsfunktion wird daher einmalig durch einen Teststrahl mit bekannter Leistung bestimmt. In weiteren Messungen genügt es, die Leistung der Abfrage-Impulse zu bestimmen und die Übertragungsfunktion mit der gemessenen Leistung zu skalie-ren. Um Linearität zu gewährleisten, muss bei diesem Verfahren berücksichtigt werden, dass die Leistungsunterschiede nicht zu groß ausfallen. Weiterhin kann die Übertragungsfunktion, besonders die der Photodiode, von der Wellenlänge der Abfrage-Impulse abhängen und muss für jede Abfrage-Wellenlänge individuell bestimmt werden.