가시광선 및 근적외선 TA 분광학을 위한 검출기 선택

과도 흡수를 위한 고속 분광학 검출기는 훨씬 더 강한 프로브 신호 외에 펌프로 인한 작은 변화도 측정해야 합니다. 따라서 최선의 선택은 사용 가능한 파장 응답, 전하 용량, 노이즈, 동기화 및 스펙트럼 샘플링에 따라 달라집니다. 실리콘은 일반적으로 가시광선과 단파장 NIR에 유용합니다. InGaAs는 일반적으로 더 긴 NIR 검출을 위해 선택됩니다. 두 재료 이름 모두 완전한 TA 측정이 작동하는지 여부를 결정하지 않습니다. 진단 과도 대역 및 레이저 펄스 시퀀스로 시작한 다음 의도한 프로브 강도 및 획득 방법으로 검출기 성능을 평가합니다.

센서를 선택하기 전에 TA 측정을 지정하세요.

과도 흡수는 펌핑된 프로브 신호와 펌핑되지 않은 프로브 신호 간의 차이를 측정합니다. 검출기는 포화, 드리프트 또는 비선형 반응 없이 더 큰 배경을 처리하면서 작은 분수 차이를 보존해야 합니다.

전송 측정의 경우 ΔA = -log ₁₀(T _on /T _off )입니다. 변화가 작은 경우 ΔA ≒ -(ΔT/T)/ln(10)입니다. 따라서 약한 TA 기능은 검출기가 상당한 빛을 수신하는 경우에도 우수한 상대 정밀도를 요구할 수 있습니다. 이는 배경이 거의 없는 상태에서 희미한 자연 방출을 감지하는 것과는 다른 최적화 문제입니다.

단순히 가능한 가장 넓은 범위가 아니라 경쟁 과제를 구별하는 데 필요한 파장을 나열하십시오. 눈에 보이는 표백제는 개체군의 점유를 식별할 수 있는 반면, NIR 여기 상태 흡수는 전하 관련 종을 구별하는 데 도움이 될 수 있습니다. 해석에 둘 다 필요한 경우 두 개의 검출기 채널과 분광기가 일관되게 교정되고 동기화될 수 있는지 평가합니다.

또한 프로브 반복 속도, 펌프 변조 패턴, 픽셀당 예상 광자, 최소 유용한 ΔA 및 평균 시간을 정의합니다. 이러한 입력 없이 선택된 고속 분광학 검출기는 인상적인 헤드라인 사양을 가지면서도 실제 타이밍 또는 노이즈 요구 사항을 충족하지 못할 수 있습니다.

사용 가능한 응답에서 실리콘 또는 InGaAs 선택

실리콘과 InGaAs는 서로 다른 파장 응답 프로파일을 제공합니다. 특히 검출기의 응답 가장자리 근처에서 필요한 대역 전체에 걸쳐 양자 효율성과 측정된 시스템 처리량을 사용하도록 선택하세요.

양자 효율은 특정 조건에서 감지된 전하로 변환된 입사 광자의 비율을 나타냅니다. 한 파장의 피크 값은 다른 곳에서는 성능을 확립하지 않습니다. 의도한 대역에 대한 응답 곡선을 요청한 다음 격자, 슬릿, 거울, 필터 및 샘플의 손실을 고려하십시오.

공칭 검출기 범위는 균일한 사용 가능한 TA 범위와 동일하지 않습니다. 약한 연속체 에지에서는 샷 노이즈 또는 읽기 노이즈가 지배적일 수 있습니다. 강력한 펌프 관련 스펙트럼 특성 근처에서는 산란 및 프로브 불안정성이 대신 지배적일 수 있습니다. 광학 구성을 마스킹하거나 변경하는 것이 피크 QE가 약간 더 높은 검출기를 선택하는 것보다 더 효과적일 수 있습니다.

가시광선 채널과 NIR 채널이 겹치는 경우 겹치는 부분을 사용하여 파장 교정 및 상대적 동작을 테스트합니다. 펌프 조건, 임시 샘플링 또는 수집 기하학이 다른 경우 임의의 크기 조정을 통해 두 스펙트럼을 강제로 일치시키지 마십시오. 겹치는 부분은 불일치를 숨기기보다는 드러내야 합니다.

전체 우물 용량, 소음, 동적 범위의 균형을 유지하세요.

큰 풀웰 용량은 픽셀이 포화되기 전에 더 많은 프로브 전하를 수집하는 데 도움이 됩니다. 이는 검출기가 선형으로 유지되고 프로브가 샘플을 변경하지 않는 경우 부분 샷 노이즈 정밀도를 향상시킬 수 있습니다.

N개의 감지된 광전자의 경우 이상적인 샷 노이즈 크기는 대략 √N이므로 상대 샷 노이즈 크기는 1/√N입니다. TA 비율에는 참여 측정의 노이즈가 포함되며 실제 실험에는 소스 변동, 읽기 노이즈, 암전류 노이즈 및 드리프트도 포함됩니다. 다른 한계가 지배적이 될 때까지 더 많은 광자가 도움이 됩니다.

평균 신호만 검사하는 것이 아니라 가장 밝은 픽셀을 검사합니다. 연속체 피크는 포화될 수 있지만 약한 스펙트럼 영역은 제대로 노출되지 않은 상태로 유지됩니다. 스펙트럼 형성, 프로브 감쇠, 게인 또는 채널 분할을 적절하게 조정합니다. 포화된 픽셀은 평균화를 통해 복구할 수 없으며 거의 ​​포화된 비선형 영역은 명백한 클리핑이 나타나기 전에 작은 차동 신호를 왜곡할 수 있습니다.

동적 범위는 정의된 조건에서 사용 가능한 높은 신호와 노이즈 플로어 간의 관계를 나타냅니다. 이는 ADC 비트 심도와 동일하지 않으며 ΔA 감도를 직접적으로 나타내는 것도 아닙니다. 게인 설정, 풀웰 용량, 읽기 노이즈, 선형성 및 획득 조건을 함께 비교하십시오.

냉각은 일부 검출기 및 노출 방식에 대해 암전류를 줄일 수 있지만 짧은 노출, 강하게 조명된 TA 측정에서는 자동으로 주요 우선 순위가 아닙니다. 실제 노출에서 다크 노이즈가 중요한지 테스트합니다. 실험을 제한하지 않는 기능을 위해 충전 용량이나 타이밍을 희생하지 마십시오.

판독값과 동기화를 펄스 시퀀스에 일치시킵니다.

판독 속도는 스펙트럼을 획득하고 펌프 이벤트와 연관시키는 방법을 제어합니다. 광학 펌프-프로브 측정의 펨토초 시간 분해능을 직접 결정하지는 않습니다.

펨토초 TA에서 펌프-프로브 응답은 주로 펄스 중첩, 펄스 지속 시간, 처프 및 기하학에 의해 제어됩니다. 카메라는 훨씬 더 긴 전자 노출 동안 짧은 광학 프로브 펄스를 통합할 수 있습니다. 더 빠른 라인 판독은 샷 분해 획득 및 평균화를 향상시킬 수 있지만 광 펄스를 단축하지는 않습니다.

펌프 온 및 펌프 오프 측정을 교대로 수행하려면 감지기와 획득 전자 장치가 각 프로브 이벤트를 올바르게 식별해야 합니다. 트리거 방식, 노출 지연, 펌프 변조, 프레임 삭제 동작 및 데이터 순서를 확인합니다. 공칭 라인 속도가 충분히 빠른 검출기는 노출 창이 원치 않는 펄스를 캡처하거나 트리거 처리가 실험과 일치하지 않는 경우 여전히 실패할 수 있습니다.

카메라 라인 속도가 레이저 반복 속도의 두 배여야 한다는 보편적인 규칙을 적용하지 마십시오. 필요한 관계는 기록된 하나의 라인을 구성하는 요소와 펌프 순서가 어떻게 배열되어 있는지에 따라 달라집니다. 대신 실제 펄스/노출 시퀀스를 그리고 저장된 모든 스펙트럼에 알려진 펌프 상태가 있는지 확인하십시오.

이중 어레이 또는 기준 채널은 신호와 기준이 잘 일치할 때 상관 프로브 변동을 줄일 수 있습니다. 모든 샷 노이즈, 샘플 드리프트, 펌프 변동 또는 파장에 따른 불일치를 제거할 수는 없습니다. 이상적인 취소 요인을 가정하는 대신 펌프 차단 데이터와 대표 샘플을 사용하여 개선 사항을 측정합니다.

분광기로 픽셀 수 선택

픽셀 수는 샘플링 용량을 결정하는 반면 스펙트럼 해상도는 전체 광학 기기에 따라 달라집니다. 픽셀 수가 많다고 해서 더 좁은 해상도의 특징이 보장되는 것은 아닙니다.

선택한 파장 범위, 격자 분산, 슬릿 폭, 광학 수차 및 픽셀 크기를 고려하십시오. 범위가 N 픽셀에 걸쳐 Δλ에 걸쳐 있는 경우 Δλ/N은 대략적인 평균 샘플링 간격입니다. 분산은 파장에 따라 달라질 수 있습니다. 기기 선폭은 여러 픽셀을 포함할 수 있으므로 독립적으로 측정해야 합니다.

넓은 TA 대역의 경우 매우 미세한 샘플링을 통해 유용한 정보를 추가하지 않고도 더 많은 픽셀에 걸쳐 광자를 분할할 수 있습니다. 비닝은 샘플링 밀도를 희생하면서 정밀도를 향상시킬 수 있습니다. 좁거나 겹치는 기능의 경우 샘플링이 충분하지 않으면 스펙트럼 이동이 모호해지고 할당이 손상될 수 있습니다. 질문에 답하는 데 필요한 해상도를 선택한 다음 해상도 요소당 광자 수를 평가합니다.

배열 길이, 픽셀 높이 및 라인 분리도 광학 결합에 영향을 미칩니다. 이중 라인 어레이에서는 신호 및 기준 스펙트럼이 길이, 높이 및 간격에 걸쳐 올바르게 배치되어야 합니다. 검출기 교체를 기계적으로 교환 가능한 것으로 취급하기보다는 분광기 이미징 형상을 확인하십시오.

실제 실험을 통해 Zephyrus 구성 비교

Time Tech Spectra의 Zephyrus 제품군은 TA에 대한 파장 적용 범위, 라인 속도 및 픽셀 수의 다양한 조합을 제공합니다. 의도한 레이저 및 스펙트럼에 대해 하나의 구성을 선택하십시오. 제품군 전체의 최대값이 모든 모델을 설명하는 것은 아닙니다.

그만큼 Zephyrus 고속 감지기에는 외부 트리거링 및 펌프-프로브 동기화가 포함되어 있습니다. 제품군에는 단일 및 이중 라인 버전이 있으므로 선택한 접미사와 광학 배열을 확인하십시오. 속도-픽셀 균형은 나열된 모델에서 볼 수 있습니다. 100kHz 가시 옵션은 4kHz 가시 옵션보다 픽셀 수가 적습니다. 어느 것이 바람직한지는 레이저 속도와 필요한 스펙트럼 샘플링에 따라 다릅니다.

구성 세부 사항 중 하나를 확인해야 합니다. V10D-1024는 시스템 매칭 테이블에서 200~1000nm로 나타나고 기본 사양 테이블에서는 200~1100nm로 나타납니다. 해결되지 않은 차이점을 토대로 극단적인 구매 결정을 내리지 마십시오. 현재 모델별 응답 및 사용 가능한 대역 사양을 요청합니다.

통합을 위해 TA-PRO 분광학 시스템은 검출기를 선택한 프로브 생성 및 스펙트럼 대역에 일치시킵니다. 고속 분광학 검출기는 격리된 구성 요소가 아닌 처리량 및 타이밍을 포함하여 전체 광학 및 획득 체인의 일부로 평가되어야 합니다.

짧은 수용 시퀀스를 사용하십시오. 먼저 파장 교정 및 선형성을 확인하십시오. 다음으로 작동 속도에서 어둡고 펌프 차단된 스펙트럼을 기록합니다. 그런 다음 펄스 상태 할당을 확인하십시오. 마지막으로 필요한 플루언스 및 평균 시간에서 대표 샘플을 측정합니다. 모든 실험에서 광고된 감도가 보증으로 오인되지 않도록 노이즈 통계, 스펙트럼 간격, 지연 조건 및 제외된 픽셀을 명시합니다.

결론

사용 가능한 파장 응답을 프로브 전하 용량, 측정된 노이즈, 동기화 및 스펙트럼 분해능과 결합하여 고속 분광학 검출기를 선택하십시오. 실리콘과 InGaAs는 다양한 적용 범위 요구 사항을 해결하는 반면, 라인 속도와 픽셀 수는 레이저 시퀀스와 분광기에 맞아야 합니다. 분광학 회사인 Time Tech Spectra는 가시광선 및 NIR TA 검출을 위한 Zephyrus 구성을 제공합니다. 정확한 모델과 게인 설정을 비교하고, 밴드 에지 모호성을 해결하고, 의도한 샘플로 성능을 확인합니다. 결정적인 결과는 필요한 획득 조건에서 안정적이고 정확한 시간에 맞춰진 차동 스펙트럼입니다.

FAQ

고속 분광학 검출기가 TA 시간 분해능을 향상합니까?

획득 속도와 펄스 정렬을 향상시킬 수 있습니다. 광학 펨토초 TA에서 응답은 여전히 ​​펌프 및 프로브 펄스, 처프 및 형상에 따라 달라집니다.

가장 높은 픽셀 수가 항상 바람직합니까?

아니요. 추가 픽셀은 광학 해상도를 향상시키지 않고도 픽셀당 광자를 줄일 수 있습니다. 샘플링을 분광기 및 해결해야 하는 특징과 일치시킵니다.

참조 어레이가 레이저 노이즈를 제거할 수 있습니까?

적절하게 일치하면 상관 변동을 억제할 수 있습니다. 잔여 불일치, 샷 노이즈, 샘플 또는 펌프 변동이 남아 있어 측정이 필요합니다.

획득 시간 없이 감도를 비교해야 합니까?

아니요. 동일한 평균 시간, 반복 속도, 프로브 로딩, 스펙트럼 간격 및 노이즈 통계를 사용하여 감도를 비교하십시오. 그렇지 않으면 숫자가 다른 측정 조건을 나타낼 수 있습니다.