Apparato per sorgente impulsata

Set-up di caratterizzazione

Il set-up adottato è mostrato in Figura 1. L'apparato consente misure di PDE nell'intervallo spettrale 240 - 1000 nm utilizzando sorgenti di luce impulsata. La lunghezza d'onda di ciascuna sorgente è riportata nella Tabella 1. Inoltre, la stessa configurazione viene utilizzata per misurare la Dark Count Rate (DCR) e l’Optical Cross-Talk (OCT) a diversi valori della tensione di overvoltage.

Figura 1. Set-up di caratterizzazione basato sull'uso di sorgenti luminose pulsate: laser e LED

Il sistema è costituito da:

• Alimentatore Agilent 6634B (per fornire l'alta tensione al SiPM);
• Alimentatore Agilent E3631A (per fornire i livelli di tensione al driver LED);
• Contatore Tektronics FCA 3000 (per misurare la count rate per le darkstairs);
• Femto-amperometro Keithley 6514 (per misurare la foto-corrente del rivelatore di riferimento);
• Fotodiodo calibrato IRD NIST traceable (per rilevare il flusso luminoso all'interno della sfera integratrice);
• Oscilloscopio LeCroy wavePro 725Zi 2.5GHz (per elaborare segnali sincronizzati per la sorgente di luce impulsata);
• Generatore di impulsi LeCroy ArbStudio 1104 (per generare segnali sincronizzati per la sorgente di luce impulsata);
• Driver LED;
• Controller laser per Laser pulsati PicoQuant PDL 200-B;
• Sfera integratrice Labsphere (per ottenere un flusso luminoso uniforme sulla superficie dei rivelatori);
• Elettronica front-end basata sul CITIROC 1A;
• Sensore di temperatura DS600 e controller ADAM 4017 (per controllare la temperatura SiPM al fine di compensare la tensione di alimentazione e mantenere costante il guadagno dei SiPM);
• sorgenti pulsate LED e LASER (vedi tabella 1);
• Filtri neutri calibrati Thorlabs ND30B, ND20B, ND13B e ND10B (vedere la tabella 2).

Sorgenti di luce impulsata disponibili

Le sorgenti disponibili sono attualmente 19 di cui 16 sorgenti LED e 3 sorgenti laser. 

Codice identificativo	Wavelength [nm]	Distribuzione spettrale	Type
LDH-P-C-405	405		Laser
EPL-450	450		Laser
LDH-P-635	635		Laser
LED285W	285		LED
LED315W	315		LED
LED341W	341		LED
LED385L	385		LED
LED430L	430		LED
LED450L	450		LED
LED465E	465		LED
PLS-8-2-746	496		LED
LED505L	505		LED
LED525L	525		LED
LED570L	570		LED
LED591E	591		LED
LED660L	660		LED
LED680L	680		LED
LED780E	780		LED
LED851L	851		LED

Tabella 1 - Sorgenti luminose impulsate: LED e LASER e loro rispettiva lunghezza d'onda

Led driver

Per pilotare le sorgenti a LED, abbiamo progettato e realizzato un circuito elettronico adeguato per segnali veloci. Lo schema è rappresentato nella Figura 2.

Figura 2. Schema del LED driver

Il circuito si basa sull'amplificatore ultrarapido AD8009 in configurazione non invertente, in grado di condizionare i segnali con un slew rate di 5,5 V/μs (tempo di salita di 545 ps). Queste caratteristiche lo rendono ideale come amplificatore di impulsi.

L'AD8009 è caratterizzato da una larghezza di banda di 440 MHz con guadagno G = 2 ed è anche in grado di fornire più di 175 mA di corrente di carico, mantenendo un guadagno differenziale basso e un errore di fase ridotto. È alimentato con una doppia tensione di VDD=+6,5 V e VCC = -1,5 V. Nel caso specifico, il guadagno è stato impostato a 2 mediante i due resistori di retroazione. All'ingresso, una resistenza di accoppiamento (R1) interfaccia il segnale proveniente dal generatore di funzioni la cui ampiezza è opportunamente modulata per variare l'intensità del LED.

Il segnale è rappresentato dalla forma d'onda (colore blu) mostrata nella Figura 3.

Figura 3. Segnale di ingresso per il LED driver (colore blu) e segnale sincronizzato (colore  fucsia) denominato HOLD. 

Nella Figura 3, oltre al segnale trasmesso al driver LED (forma d'onda blu), è presente il segnale di sincronizzazione (HOLD - forma d'onda di colore fucsia).

In particolare, ciascun LED ha una tensione di polarizzazione appropriata, che è opportunamente modulata per avere un flusso di fotoni adatto all'interno della sfera integratrice. Ricordiamo che per le corrette misure di PDE il sistema deve funzionare in regime di photon counting.

Filtri neutri: tipo e calibrazione

Per evitare di lavorare con un flusso luminoso che potrebbe saturare il SiPM e allo stesso tempo avere un sufficiente segnale di corrente rilevato dal fotodiodo di riferimento, occorre una riduzione del flusso di fotoni sul SiPM introducendo dei filtri attenuatori a densità neutra. 

Ogni singolo filtro è stato calibrato con elevata precisione per determinare il valore di trasmittanza in base alla lunghezza d'onda corrispondente.

Il set-up utilizzato per la calibrazione dei filtri è mostrato nello schema di Figura 4.

Figura 4. Set-up per la calibrazione dei filtri a densità neutra.

Ogni singola misura viene ripetuta in diverse condizioni di intensità di luce. Si acquisiscono 100 misure della foto-corrente e si estrae la media e la deviazione standard. Quest'ultima, per ciascuna serie di misure, risulta inferiore all'1%.

I filtri calibrati a densità neutra sono:

ND30B, ND20B, ND13B e ND10B della Thorlabs.

La Tabella 2 mostra il risultato delle misure in termini di trasmittanza.

Inoltre, la terza colonna mostra l'efficienza quantica del fotodiodo IRD i cui valori sono stati calibrati dalla NIST.

Tabella 2 - Trasmittanza dei filtri a densità neutra e efficienza quantica del fotodiodo IRD

Per il filtro ND30B, è impossibile valutare la trasmittanza per le prime tre lunghezze d'onda (285nm, 315nm, 341nm) a causa del basso segnale rilevato rispetto al segnale senza filtro.