Szálcsatolt egyfoton detektor fejlesztése fluoreszcencia éllettartam mérésekhez
Kutatásom célja egy időkorrelált méréstechnikán alapuló, fluoreszcencia lecsengési időket mérő kísérleti elrendezés továbbfejlesztése volt. A kutatócsoport, melynek munkájában részt veszek, egy úgynevezett időkorrelált fotonszámláláson alapuló méréstechnikát használ. A módszer a lényege, hogy egy fluoreszcens mintát nagy ismétlési frekvenciával (tipikusan 1-80 MHz-el) és rövid impulzusokkal (≈ 100 ps) gerjesztünk, majd pedig az emittált fotonokat a detektálásuk időpontja szerint időrekeszekhez rendeljük. Az detektált fotonbeütések száma a lézerimpulzusok nagy ismétlési frekvenciája miatt gyorsan növekszik, így alkalmazásaim többségében néhány másodperc alatt egy jól kiértékelhető lecsengési hisztogram áll elő. Ez azonban a különböző eszközök (lézer, detektor, optikai és elektronikai alkatrészek) időbizonytalansága miatt mindig valamilyen (Dirac-deltától eltérő) impulzusalalakot (készülék válaszfüggvényt) mutat.
A mérőrendszerünkben eredetileg három lézerforrás (kék, vörös és infravörös), valamint egy MPD (Micro Photon Devices) gyártmányú egyfoton detektort használtunk. A kutatócsoport kezdetben elsősorban a piros (650 nm-es) gerjesztőforrást használta. Ebben az esetben azt találták, hogy a készülék válaszfüggvény jellegét elsősorban a gerjesztőlézer határozza meg. Az én feladatom volt a kék lézerrel végzett kutatások megkezdése, mely során a korábban megszokottnál lényegesen rosszabb készülék válaszfüggvényeket tapasztaltam.
Eredményeim azt mutatták, hogy az általunk eredetileg használt MPD gyártmányú egyfoton detektor a kék spektrális tartományban nem optimálisan működik és így nem lehet megfelelően felvenni az impulzusüzemű lézerdióda készülék válaszfüggvényét. Egy másik gyártó (IDQ - ID Quantique) egyfoton detektorával azonban már a tesztmérések során jelentősen jobb eredmények születtek. [1] Jelen TDK dolgozatban bemutatott munka célja az volt, hogy az új detektort illesszem a mérőrendszerünkbe, majd az esetlegesen felmerülő méréstechnikai problémákra megoldást találjak.
A munkám motivációját az ipari partnerünk szempontjából releváns, szerves félvezető anyagok vizsgálata adta. A minták rövid fluoreszcencia élettartamának méréséhez a mérőrendszerünk továbbfejlesztése szükséges volt.
Az MPD detektorok gyárilag szálcsatolással voltak szerelve, és a kísérleti elrendezésünkben is így használtuk. Megvizsgáltam, hogy az MPD detektor rendellenes viselkedését nem az optikai szálak alkalmazása okozza, így a félvezető anyagok jelenlegi mérőfejben történő vizsgálatához szükséges volt egy szálcsatoló rendszer fejlesztése, hogy a meglevő mérőrendszerhez az új, IDQ detektor kompatibilitása megmaradjon.
Először a Zemax optikai tervező szoftver segítségével modelleztem egy két lencséből álló rendszert, mellyel egy optikai szál 50 mikrométeres magjából kilépő fényt a detektor 50 mikrométeres érzékeny felületére lehet leképezni. Optimalizálással meghatároztam a lencsék pozícionálásához szükséges távolságokat, majd megvalósítottam a tartó-és mozgatórendszer tervezését a Creo 3D tervező szoftverrel. Mivel nagy pontosságú fókuszálásra van szükség, az elrendezést úgy valósítottam meg, hogy mindkét lencsét lehessen optikai tengely (z) irányban mozgatni, valamint a kettő közül az egyiket az x-y síkban is pozícionálni. Ezen kívül az is célom volt, hogy egy viszonylag kisméretű, a detektor elülső felületére könnyen felszerelhető rendszer álljon elő.
Az alkatrészek elkészülte után összeszereltem a rendszert, majd beállítottam a lencsék pozícióját. Végül pedig teszteltem az összeállítást: próbaméréseket végeztem a fluoreszcencia élettartam mérő elrendezésünkben. Szerves félvezető minták fluoreszcencia élettartamának mérésén keresztül az általam készített szálcsatoló rendszerrel ellátott IDQ detektorral sikerült reprodukálni a gyári szálcsatolással rendelkező MPD detektorral végzett mérés eredményeit.
[1] Steinbach F.: „Nanoszekundum alatti fluoreszcencia élettartamok mérése kék diódalézerrel”, TDK dolgozat 2022.
szerző
-
Steinbach Ferenc
Fizikus mesterképzési szak (MSc)
mesterképzés (MA/MSc)
konzulensek
-
Dr. Lenk Sándor
egyetemi docens, Atomfizika Tanszék -
Dr. Nagy Balázs Vince
egyetemi docens, Mechatronika, Optika és Gépészeti Informatika Tanszék
