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4.8  Elektrische Messverfahren für kurze Zeiten


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Abbildung 4.251.: Zeitkorreliertes Einzelphotonenzählen. Die vertikale Achse zeigt die einzelnen Messungen. Horizontal ist jeweils ein roter Balken eingezeichnet, wenn bei einer bestimmten Verzögerungszeit ein Photon gemessen wurde. Die grüne Kurve ist die Summenhäufigkeit.

Abbildung 4.251 zeigt das Prinzip einer zeitkorrellierten Einzelphotonenmessung. Das Messgerät, in diesem Falle eine Messkarte[?] in einem PC startet bei jedem Triggerpuls aus einem Kurzpulslaser eine elektrische Rampenfunktion. Der Triggerpuls ist aus einem Puls abgeleitet, mit dem die Probe beleuchtet wird um die Lumineszenz anzuregen. Wird innerhalb des Messfensters, das heisst, innerhalb der Laufzeit der elektrischen Rampenfunktion, ein Lumineszenzphoton detektiert, dann wird die Rampenspannung zum Zeitpunkt des Eintreffens mit einem Sample/Hold-Glied gespeichert und später digitalisiert. In einem Speicher wird an der zur digitalisierten Spannung, also zur Zeit, gehörigen Stelle der Zählwert um eins erhöht.


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Abbildung 4.252.: Prinzip der Lumineszenzmessung mit einer zeitkorrellierten Messmethode[?].

Nach einer genügend langen Integrationszeit steht in den Speichern die Zeitfunktion bereit. Abbildung 4.252 zeigt einen entsprechenden Messaufbau. Die Empfindlichkeit dieses Messaufbaus ist[?]

     ∘ ---------
       Rd ·N ∕T
S =  ------------
         Q
(4.1)

wobei Rd die Dunkelzählrate ist. Q ist die Quanteneffizienz des Detektors, N die Anzahl Kanäle und T die Messzeit. Für eine Messzeit von T = 1s und N = 256 Kanäle erhältm man folgende Empfindlichkeiten:

Grösse Photomultiplier Avalanchediode 1 Avalanchediode 2




Q 0.1 0.5 0.8
Rd 1 100 20
S 160 320 90

Je nach Typ des Detektors ist die Detektionsgrenze zwischen < 100 und etwa 300 Photonen pro Sekunde. Die erreichbare Zeitauflösung hängt von der Geschwindigkeit der Detektoren und ihrem Jitter ab. Photomultiplier haben typischerweise eine Zeitauflösung von 200ps1ns. Mikrokanal-Photomultipliers sind schneller als 50ps. Avalanche-Dioden haben eine Zeitauflösung zwischen 50ps200ps.


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Abbildung 4.253.: Messung einer Lumineszenzabklingkurve mit der zeitkorrellierten Einzelphotonenzählung[?]

Abbildung 4.253 zeigt eine Messung der Lumineszenzabklingzeit von GaN mit der zeitkorrellierten Einzelphotonenmethode[?]. Als Anregungslicht wurde eine Pulsfolge aus einem TiSaphir-Laser mit etwa 200fs Pulsbreite und einer Wiederholfrequenz von 80Mhz verwendet. Gezeigt ist die Abklingzeit an zwei verschiedenen Orten.


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Abbildung 4.254.: Auswirkung des Oversamplings auf eine Messung.

Bei periodischen Signalen kann auch eine Überabtastung, englisch Oversampling erfolgen. Eine Überabtastung ist eine bewusste Verletzung des Abtasttheorems von Nyquist, wie es im Abschnitt 2.6.2.1 besprochen wurde. Wenn das zu untersuchende Signal eine relativ schmale Bandbreite besitzt, dann kann man durch eine tiefe Wahl der Abtastfrequenz das Eingangssignal zu tieferen Frequenzen hin verschieben und trotzdem mit formgetreu abtasten. Wichtig ist, dass der Sample/Hold- Verstärker am Eingang einen sehr kleinen Jitter haben muss.

Abbildung 4.254 zeigt zwei Beispiele einer Messung mit Überabtastung. Die senkrechten roten Striche zeigen den Zeitpunkt der jeweiligen Abtastung. Das grüne Signal ist das Eingangssignal. Aus der Abtastung resultiert das blaue Signal, das auch bei nicht sinusförmiger Amplitudenform die Signalform richtig wiedergibt.

Frequenz- und Zeitdarstellung sind im Normalfalle durch eine Fouriertransformation ineinander überführbar. Abbildung 4.255 links eine hypothetische Pulsform und rechts davon die Fouriertransformation. Es gilt, dass wenn Pulse kürzer werden dass dann ihre Bandbreite zunimmt. Das Produkt aus Bandbreite und Pulsbreite ist im Normalfall eine Konstante.


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Abbildung 4.255.: Vergleich einer Frequenz- und einer Zeitbereichsmessung.



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