Schnelles getaktetes Spektrometer

Alternativ zur Einzelkanaldetektion mit Monochromator und Photodioden wurde in dieser Arbeit eine Mehrkanaldetektion aufgebaut, welche auf einem schnellen getakteten Spektro-meter basiert. Die Besonderheit des SpektroSpektro-meters liegt in der Steuerung, die es erlaubt, Spektren mit einem von außen vorgegebenen Takt auszulesen und gleichzeitig eine Zeilen-leserate von 50 kHz erreicht. Die Abfrage-Impulse werden zunächst in einen Spektrogra-phen⁸ fokussiert. Dieser besitzt eine interne Brennweite von f = 150 mm. Das verwende-te Beugungsgitverwende-ter besitzt 300 Striche/mm und eine Blazewellenlänge von 750 nm. Damit ist es für den Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1200 nm ausgelegt. Am Ausgang des Spektrographen ist ein siliziumbasierter Zeilensensor⁹ mit zugehöriger Elektronik montiert.

Der Sensor besteht aus einer Zeile von 1024 Pixeln mit jeweils 24 µm Breite und 500 µm Höhe. Die spektrale Empfindlichkeit erlaubt die Verwendung im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1100 nm. Durch Rotation des Gitters wird der Ausschnitt, welcher auf den Sensor

5 0 0 6 0 0 7 0 0 8 0 0 9 0 0

0 . 0 0 . 5 1 . 0

Norm. Intensity W a v e l e n g t h λ ( n m )

2 . 6 2 . 4 2 . 2 2 1 . 8 1 . 6 1 . 4

P h o t o n e n e r g y E _{p h} ( e V )

Abbildung 2.23.:Intensitätsspektrum des Weißlichtsuperkontinuums, detektiert mit dem schnellen Spektrometer. Die eingestellte Gitterposition bildet den Spektralbereich von 460 nm bis 925 nm auf die 1024 Pixel des Zeilendetektors ab und ermöglicht eine Wellenlängenauflösung von∆λ=0.5 nm.

8Spectrograph Acton SP-2156 der Firma Princeton Instruments

9CCD linear image sensor S11490 der Firma Hamamatsu

2.4. Anrege-Abfrage-Geometrie und Detektion

Time (µs)

0 20 40 60

Trigger

Duty cycle

∆t=Tperiod

1.3 V at50 Ω

>2µs

Shutter state

10µs 1.3 V at50 Ω Probe

Ip I0

Abbildung 2.24.:Impulszug im getakteten Spektrometer. Steuersignal für den Auslesetakt (Trigger, rot), wobei die Integrationszeit ∆t = 20 µs (Duty cycle) genau eine Periodendauer beträgt. Das Diodensignal der Abfrage-Impulse ist blau und das Steuersignal mit dem Schaltzustand der Pockelszelle ist schwarz dargestellt.

abgebildet wird, ausgewählt. Abbildung 2.23 zeigt ein Beispiel, in dem Wellenlängen von 460 nm bis 925 nm mit einer Auflösung von ∆λ = 0.5 nm gleichzeitig detektiert werden.

Entscheidend für den Einsatz in Anrege-Abfrage-Experimenten ist die Steuerelektronik des Sensors mit extrem schnellen und rauscharmen Analog-Digital-Wandlern. Entwicklung und Aufbau der Elektronik erfolgten daher extern durch das Entwicklungsbüro Stresing¹⁰ nach spezifischen Vorgaben für diesen experimentellen Aufbau. Die Anforderung besteht darin, jeden einzelnen Abfrage-Impuls aufzeichnen und auswerten zu können. Erreicht wird derzeit eine Zeilenleserate von 50 kHz, welche für diesen Aufbau ausreichend ist. Die Analog-Digital-Wandler arbeiten mit effektiv 12 Bit, was einem Dynamikumfang von 36 dB entspricht. Die Elektronik besitzt drei Eingänge. Einen für den Auslesetakt (Trigger), sowie zwei um den Zustand der Pockelszelle zu markieren (Shutter state). Die Signale der letzteren werden auf zusätzliche Pixel am Anfang des Zeilensensors geschrieben. Sie ermöglichen es, in jedem auf-genommenen Spektrum den Schaltzustand der Pockelszelle, also die Modulation der Anrege-Impulse, zu markieren. Dies erleichtert die Berechnung des Anrege-Abfrage-Signals aus den aufgezeichneten Spektren. Abbildung 2.24 zeigt die Steuersignale und den Impulszug der Abfrage-Impulse. Das Integrationsfenster ist genau eine Periodendauer lang und startet mit dem Eintreffen des Trigger-Impulses. Aufgrund der hohen Datenrate, ist keine kontinuierliche Datenakquise möglich und die Datenübertragung erfolgt in Paketen. Mit dem aktuellen Stand der Treiber können 20000 Spektren in Folge aufgezeichnet werden, was einer Messdauer von 0.4 s entspricht. Die Daten werden über eine Messkarte an den Laborcomputer übertragen und innerhalb weniger Millisekunden startet die Aufzeichnung des nächsten Paketes. Ähnlich zum Boxcar-Messverstärker werden für die Auswertung aufeinander folgende Spektren voneinander abgezogen und das Anrege-Abfrage-Signal gebildet:

Anrege−Abfrage−Signal = I_p(ω)−I₀(ω)

I0(ω) . (2.30)

10Entwicklungsbüro Stresing, Reinholdstraße 5, 12051 Berlin

Innerhalb kürzester Zeit erzeugt das schnelle Spektrometer auf diese Weise umfangreiche Datensätze als Funktion der Abfrage-Wellenlänge.

2.4.3. Charakterisierung der Rauscheigenschaften bei Einzelkanaldetektion Damit kleinste Änderungen im Messsignal detektiert werden können, müssen die Rauschbei-träge aus der Erzeugung der breitbandigen Impulse in den NOPAs sowie aus deren Detektion im Anrege-Abfrage-Experiment minimiert werden. Eine stabile Weißlichterzeugung gelingt beispielsweise durch präzise Einstellung der Pump-Intensität und des Modenprofils. Die ge-messenen Fluktuationen werden als quadratisches Mittel (RMS, engl. root mean square)

RM S =

der einzelnen Messwerte x_i angegeben. Um den Vergleich von verschiedenen Lichtquellen zu vereinfachen, sind die RMS-Werte nicht absolut, sondern relativ zum Mittelwert angegeben.

Die Messung der Weißlichtfluktuationen ist in Abbildung 2.25 dargestellt. Die Detektion er-folgt, wie in Abschnitt 2.4.1 beschrieben, mittels Monochromator, Transimpedanzverstärker, Photodiode und Boxcar-Messverstärker. Aus dem Weißlichtspektrum wird die Wellenlänge von 550 nm mit spektraler Bandbreite δλ = 14 nm gefiltert und für eine Dauer von 20 min jeder einzelne Laserimpuls aufgezeichnet. Nach dem Nyquist-Shannon-Abtasttheorem können damit unbekannte Signale mit Frequenzen bis zu 25 kHz aufgelöst werden [Sha49]. Dargestellt sind die relativen Fluktuationen der Impulsenergie, welche über die Dauer des Messfensters einen RMS-Wert von 1.2·10⁻³ besitzen. Teil b) der Abbildung zeigt ein Histogramm der relativen Impulsenergie, dargestellt als relative Häufigkeit der einzelnen Messwerte. Die Ver-teilung wird sehr gut durch eine NormalverVer-teilung mit einer Standardabweichung von σ = 1.2·10⁻³ wiedergegeben. Es kann daher von einer zufälligen Verteilung der Fluktuationen

0 . 9 8

Abbildung 2.25.:a) Relative Impulsenergie bei Einzeldetektion der Laserimpulse (mit 50 kHz Wiederholrate) für ein Weißlicht (WL, blau) und den NOPA im sichtbaren Spektralbereich (VIS NOPA, grau). Beide Messungen zeigen eine hervorragende Langzeitstabilität. b) Histogramm der Weißlichtmessung als relative Häufigkeit in Prozent. Der Verlauf lässt sich gut durch eine Normalverteilung (rosa) beschreiben.

2.4. Anrege-Abfrage-Geometrie und Detektion

ausgegangen werden, denen keine Korrelation zugrunde liegt. Spektrale Schwankungen im Weißlichtspektrum werden nicht beobachtet. An dieser Stelle wird jedoch auf die Auswertung verschiedener Spektralbereiche verzichtet und auf den Abschnitt 2.4.4 über die Vielkanalde-tektion verwiesen. Der untere Graph in Abbildung 2.25 a) zeigt die relative Impulsenergie einer spektral integrierten Messung des NOPAs im sichtbaren Spektralbereich (VIS NOPA).

Das Rauschen ist im Vergleich zum Weißlicht mit 6.5·10⁻³ geringfügig erhöht. In beiden Messungen ist keine langsame Drift erkennbar, was für die mechanische Stabilität sowie eine konstante Ausgangsleistung des Laserverstärkers spricht. Die ausgezeichnete Langzeitstabili-tät ermöglicht es daher, Messreihen von weit über 20 min Dauer durchzuführen.

Um die Messempfindlichkeit zu steigern, kommt der in Abschnitt 2.4.1 beschriebene Auf-bau mit balancierter Diodenschaltung zum Einsatz. Dazu werden die Weißlichtimpulse aus Abbildung 2.25 aufgespalten und hinter dem Monochromator mit zwei Photodioden getrennt detektiert. Die Differenzbildung der beiden Photoströme in der Schaltung führt dazu, dass sich Fluktuationen, welche in beiden Diodensignalen enthalten sind, wegheben. Diese enthalten das Rauschen der Laserimpulse vor der Weißlichterzeugung, Instabilitäten der optischen Kom-ponenten oder Luftturbulenzen im Strahlengang. Anrege-Abfrage-Signale sind jedoch nur im Strom einer Diode enthalten und verbleiben bei der Differenzbildung. Wird der Referenzstrahl hinzugenommen, fällt der RMS-Wert auf 3.7·10⁻⁴, in Einheiten der relativen Impulsenergie.

Rauschbeiträge, welche nicht durch die Balancierung eliminiert werden können, spielen sich auf der Seite der Detektion mittels Photodioden und der nachgeschalteten Verstärkung ab.

Eine fundamentale Begrenzung stellt hier das Schrotrauschen des Photostroms dar [Sch18].

Treffen Photonen auf den Halbleiter der Photodiode, führt der quantenmechanische Charakter der Absorption dazu, dass diese nicht kontinuierlich absorbiert werden. Die Überwindung der Bandlücke erfolgt vielmehr stochastisch für jedes Photon. Somit unterliegt der entstehende Photostrom einem Rauschen, welcher mit der Anzahl der erzeugten Ladungsträger ansteigt.

Das gemittelte Quadrat des Rauschstroms lautet:

i²_Rausch = 2eIph∆f (2.32)

wobei der Photostrom I_ph, die Elementarladung eund die Messbandbreite ∆f eingeht. Da hier die gesamte Messbandbreite und das relative Rauschen der Impulsenergie betrachtet wird, ergibt sich der Beitrag des Schrotrauschens aus der Anzahl der detektierten Photonen ndurch:

√n n = √1

n. (2.33)

Das verwendete Weißlicht besitzt direkt vor der Photodiode eine durchschnittliche Impuls-energie von 45 pJ, was bei einer Wellenlänge von 550 nm einer detektierten Photonenanzahl von 1.57·10⁷ pro Impuls entspricht. Darin ist die Quanteneffizienz des Detektors von 0.79 bereits enthalten. Für die balancierte Detektion wird somit ein elektronisches Schrotrauschen pro Laserimpuls von 3.57 ·10⁻⁴ erwartet. Dieser Wert liegt nur minimal unterhalb des gemessenen Rauschniveaus, die Detektion ist daher schrotrauschlimitiert.

Aus den in Abbildung 2.25 gezeigten Messdaten des Abfrage-Weißlichts wird im Folgenden das Leistungsdichtespektrum (LSD eng. linear spectral density) der Fluktuationen berechnet.

Abbildung 2.26 a) stellt die Ergebnisse dar. Im niedrigen Frequenzbereich von 0.1 Hz - 100 Hz fällt das Rauschlevel mit einer 1/f-Abhängigkeit ab. Zu höheren Frequenzen verlangsamt

1 0 ^{- 1} 1 0 ⁰ 1 0 ¹ 1 0 ² 1 0 ³ 1 0 ⁴ Abbildung 2.26.:a) Leistungsdichtespektrum (LSD) des Abfrage-Weißlichts normiert auf die Durch-schnittsleistung in balancierter (blau) und unbalancierter Konfiguration (rosa), bei Einzeldetektion der Laserimpulse (mit 50 kHz Wiederholrate). Durch Balancierung werden Beiträge des Laserrauschens eliminiert und die Rauschleistung fällt bis auf den Wert des Schrotrauschens (gestrichelt, rot) ab. b) RMS-Werte des relativen Signals ∆I/I als Funktion der gemittelten Laserimpulse für beide Konfigurationen. Durchgezogene Linien stellen angepasste Funktionen 1/√

n dar, welche die Möglichkeiten der statistischen Mittlungen aufzeigen. Gestrichelt rot ist das erwartete Schrotrauschen dargestellt.

sich die Abnahme und das Rauschlevel erreicht einen konstanten Wert. Das Spektrum besitzt einige scharfe Linien, besonders auffällig sind dabei Spitzen bei 120 Hz, 2.2 kHz und 3.1 kHz.

Diese Resonanzen entstehen teilweise bereits im Laserverstärker durch das Rauschen der Pumpdioden aber auch in der Detektion durch die verwendete Verstärkerschaltung. Neben der unbalancierten Messung sind zusätzlich die Ergebnisse der balancierten Messung einge-zeichnet. Durch die Balancierung verringert sich das Rauschlevel in allen Frequenzbereichen und erreicht im Spektralbereich oberhalb von 500 Hz das Schrotrauschniveau des Photostroms (gestrichelt rot in der Abbildung). Der Einsatz eines Lock-in-Verstärkers bietet sich folglich besonders bei höheren Modulationsfrequenzen an. Dabei profitiert der Aufbau von der schnel-len Modulationsmöglichkeit, welche die in Abschnitt 2.3 beschriebene Pockelszelle bietet.

In den Anrege-Abfrage-Experimenten dieser Arbeit wird die relative Transmissionsände-rung (∆I/I, siehe Gleichung 2.29) zwischen dem gepumpten und dem Gleichgewichtszustand einer Probe ausgewertet. Durch die Modulation mit der halben Repetitionsrate werden daher aufeinander folgende Laserimpulse verrechnet^Ij+1_Ij^−Ijund anschließend der Mittelwert der Einzelrechnungen gebildet. In Abbildung 2.26 b) ist ein Messdurchlauf, bestehend aus einer Million Datenpunkten gezeigt. Es ist kein Anrege-Impuls vorhanden, wodurch ein relatives Signal von null erwartet und nur das Rauschen der Abfrage-Impulse gemessen wird. In beiden Fällen, mit und ohne Balancierung, nimmt das relative Signal mit der Wurzel der ausgewerteten Messungen ab, wie die angepassten 1/√

n-Funktionen (graue Linien) zeigen.

Der Mittelwert aus 10⁶ Datenpunkten des gemessenen Signals von 6.5·10⁻⁷ stimmt sehr gut mit dem Erwartungswert überein, wenn die Fluktuationen einzelner Laserimpulse auf die entsprechende Anzahl an Mittlungen hochgerechnet werden. Insgesamt ist bei der Repe-titionsrate des Lasers von 50 kHz für diesen Datensatz eine Messdauer von 40 s notwendig.

Kleinste Signale können daher mit dem hier vorgestellten experimentellen Aufbau beobachtet

2.4. Anrege-Abfrage-Geometrie und Detektion

werden, ohne dass Leistungsschwankungen während sehr langer Messzeiten die Messung stören.