Detektion einzelner Photonen

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1 Detektion einzelner Photonen Einleitung Ein wichtiger Aspekt der Quantenphysik besteht darin, dass Quantenobjekte sowohl Welleneigenschaften als auch Teilcheneigenschaften besitzen, was in der klassischen Physik ausgeschlossen ist. Licht, das man klassisch als Welle betrachtet, verhält sich unter bestimmten Bedingungen wie ein Teilchen. Diese Lichtteilchen (oder Lichtquanten) nennt man Photonen. Im vorliegenden Versuch soll gezeigt werden, dass man Photonen einzeln detektieren kann. Als Detektor wird eine gewöhnliche Leuchtdiode (LED) verwendet, die unter bestimmten Bedingungen kein Licht emittiert, sondern bei einfallenden Photonen Stromimpulse erzeugt, die gemessen werden können. Solch ein Stromimpuls erbringt also den Nachweis, dass ein Photon eingefallen ist. Die genaue Funktionsweise des Detektors wird im Abschnitt Versuchsaufbau näher erläutert. Aufgaben zur Vorbereitung Der Einzelphotonendetektor basiert auf einer Form des Photoeekts. Erläutern Sie kurz, was beim Photoeekt geschieht. Wieso ist der Photoeekt eine geeignete Grundlage für die Photonendetektion? Wieso muss beim Nachweis einzelner Photonen eine Verstärkung des Photostroms erfolgen? 1

2 Versuchsaufbau Schematische Darstellung des Detektorgehäuses: Das Detektorgehäuse besteht aus zwei Teilen: 1. Eigentlicher Detektor SPAD (Single Photon Avalanche Detector) 2. Spannungsversorgung für die Lichtquelle LED Light Power Source Die in diesem Versuch verwendete Methode zur Detektion von Photonen ist relativ simpel und auch nicht sehr genau, aber robust und für unsere Zwecke ausreichend. Der Detektor nutzt zum Nachweis einzelner Photonen eine gewöhnliche LED, die auf der Vorderseite des Gehäuses angeschlossen wird (siehe Abbildung). Im Normalbetrieb einer LED legt man eigentlich eine Spannung an, um Licht zu erzeugen. In diesem Versuch legen wir eine im Vergleich zum Normalbetrieb entgegengesetzte Spannung (Reversed Bias Voltage) an. Diese Spannung kann mit einem Regler (siehe Abbildung) zwischen 20 V und 30 V eingestellt werden. Bei Gegenspannung ieÿt kein Strom durch die LED. Es bildet sich im Raum der sogenannten Sperrschicht ein groÿer Bereich ohne freie Ladungsträger aus. Wird an diesem Regler eine ausreichend hohe Gegenspannung eingestellt, ist das elektrische Feld in der LED im Bereich ohne freie Ladungsträger stark genug, um die Entstehung einer Elektronenlawine (Electron Avalanche) zu ermöglichen. Daher leitet sich der Name Single Photon Avalanche Detector ab. Trit ein Photon in diesem Bereich auf und löst dort ein Elektron aus (Photoeekt), erhält dieses Elektron durch das starke Feld genügend Energie, um weitere Elektronen auszulösen, die ihrerseits wieder Elektronen auslösen. Diese durch ein einzelnes Photon ausgelöste Elektronenlawine wird dann zu einem Strom, der mithilfe eines Verstärkers gemessen werden kann. Die Elektronenlawine wird allerdings kurz nach ihrer Entstehung wieder gestoppt. Dafür sorgt der sogenannte Quench-Widerstand (Quenching Resistor). Quench bedeutet im Englischen so viel wie löschen. Wenn der Strom der Lawine durch diesen Widerstand ieÿt, entsteht dort eine Spannung, wodurch wiederum Spannung an der Detektor-LED verringert wird. Dann ist das elektrische Feld in der LED nicht mehr stark genug, so dass in der Folge keine weiteren Elektronen ausgelöst werden. Es kommt also immer nur zu kurzen Stromimpulsen, die jeweils einem einzelnen eintreenden Photon zugeordnet werden können. Der Quench-Widerstand lässt sich mit einem Schalter (siehe Abbildung) auf drei verschiedene Werte einstellen. 2

3 Die LED-Lichtquelle, die zur Erzeugung der Photonen verwendet wird, lässt sich über einen Spannungsregler und einen einstellbaren Vorwiderstand (siehe Abbildung) auf verschiedene Intensitäten einstellen. Die LED selbst bendet sich in einem zylinderförmigen Gehäuse, das als Abschirmung gegen die Raumbeleuchtung auf die Detektor-LED gesetzt werden kann. Das Gehäuse besitzt drei Ausgänge: 1. Detektorausgang (SPAD Output): Hier können ein Oszilloskop und ein Zähler angeschlossen werden, um die Elektronenlawinen zu registrieren. 2. Spannungsmessung (Bias Monitor): Hier kann die an die LED angelegte Gegenspannung V d gemessen werden. 3. LED-Strommessung (LED Current Monitor): Hier kann der Strom, der in der LED-Lichtquelle das Licht erzeugt, gemessen werden. Durchführung Als erstes soll der Detektor bei normalem Hintergrundlicht betrieben werden. Die angeschlossene LED-Lichtquelle wird also im ersten Teil nicht benötigt. Die Durchbruchspannung (engl. breakdown voltage) V br ist die Spannung, ab der das elektrische Feld in der LED stark genug ist, dass eine Elektronenlawine ausgelöst werden kann. V br hat bei jeder Diode einen anderen Wert (im Bereich zwischen 20 V und 30 V). Um V br möglichst genau zu bestimmen, misst man den Zusammenhang zwischen der maximalen Spannung der Elektronenlawine V a und der an die Detektor-LED angelegten Spannung V d. Gesucht ist der Wert von V d, ab dem eine (von null verschiedene) Spannung V a auftritt - sich also eine Elektronenlawine bildet. Schlieÿen Sie ein Spannungsmessgerät an den dafür vorgesehenen Ausgang des Detektors an, mit dem V d gemessen werden soll. Für die Messung von V a benötigen Sie ein Oszilloskop, um die Spannungsimpulse der Elektronenlawine sichtbar zu machen. Schlieÿen Sie das Oszilloskop an den Detektorausgang an. Am Oszilloskop muss auf DC-Kopplung, also Gleichstrom, eingestellt werden. Stellen Sie den Quench-Widerstand auf den höchsten Wert - also 100 kω. Das Oszilloskop verfügt über einen automatischen Trigger (Auslöser), der dafür sorgt, dass nur Signale einer bestimmten Stärke (also in unserem Fall die Spannungsimpulse der Elektronenlawinen) angezeigt werden. Stellen Sie diesen Trigger auf einen Wert zwischen 50 und 100 mv ein. Ohne den Trigger würden die eigentlich interessanten Signale untergehen, da diese sehr kurz (Gröÿenordnung Mikrosekunden) sind. Stellen Sie die Skalen für die Achsen so ein, dass die Zeitskala 5 µs (Mikrosekunden) und die Spannungsskala 500 mv anzeigt. Stellen Sie V d auf den Minimalwert 20 V ein. Auf dem Oszilloskop sollten Sie nun ausschlieÿlich Rauschen im Bereich von 0 V, also keine Signale, sehen, weil die Durchbruchspannung noch nicht erreicht ist. Aber selbst wenn die Durchbruchspannung überschritten wird, sind die Impulse zunächst noch zu schwach, um den Trigger auszulösen. Regeln Sie nun die Spannung V d langsam hoch und beobachten Sie dabei das Oszilloskop. Ab einer gewissen Spannung sollten Sie vereinzelte Impulse sehen, die (durch den Trigger) in 3

4 der Mitte des Bildschirms angezeigt werden. Sie sehen einen einzelnen Impuls solange, bis ein neuer vom Oszilloskop registriert wird. Wichtig: Die Spannung, ab der Sie die Impulse sehen, ist nicht identisch mit der Durchbruchspannung. Die Durchbruchspannung wird schon bei kleineren Spannungen erreicht, der Trigger aber noch nicht ausgelöst, weil die Impulse zu schwach sind. Als ersten Test, ob Sie tatsächlich Photonen aus der (künstlichen oder natürlichen) Raumbeleuchtung detektieren, können Sie die Detektor-LED gegen Licht abschirmen. Sie sollten sehen, dass schon bei einer einfachen Abschirmung (z.b. mit einem Karton oder mit der Hand), die Zahl der registrierten Impulse deutlich abnimmt oder sogar null wird. Messen Sie nun zur Bestimmung der Durchbruchspannung V br, die Abhängigkeit der maximalen Spannung der Elektronenlawine V a von der an die Detektor-LED angelegten Spannung V d und halten Sie die Messwerte in einer Tabelle fest. Nehmen Sie ca. zehn Wertepaare auf. Dabei sollte V a nicht gröÿer als 1 V werden. 2. Teil: Messung der Abhängigkeit zwischen der Intensität der Lichtquelle und der Frequenz der Stellen Sie zunächst die Spannung V d auf einen Wert ein, der geringfügig oberhalb der Durchbruchspannung V br liegt, so dass Sie Photonen detektieren können. Je höher V d gewählt wird, desto empndlicher reagiert der Detektor. Hinweis: Da der Detektor nicht sehr genau arbeitet, wird nicht die Gesamtzahl aller Photonen, sondern nur ein geringer Anteil der tatsächlichen Photonen registriert. Wichtig: Achten Sie im Folgenden darauf, V d nicht aus Versehen zu verstellen. Schlieÿen Sie nun zusätzlich zum Oszilloskop einen Impulszähler in Reihe an den Detektorausgang an. Setzen Sie die Halterung der LED-Lichtquelle so auf die Detektor-LED, dass der Detektor gegen die Hintergrundbeleuchtung abgeschirmt wird, und wählen Sie den Vorwiderstand und die LED-Spannung so, dass Sie immer noch vereinzelte Impulse auf dem Oszilloskop registrieren, aber deutlich weniger als einen pro Sekunde. Stellen Sie die Empndlichkeit (Sensitivity) des Impulszählers so ein, dass immer dann ein Impuls gezählt wird, wenn auch das Oszilloskop einen Impuls anzeigt. Schlieÿen Sie nun das Spannungsmessgerät an den Ausgang zur LED-Strommessung an. Sie messen den Strom, mit der die LED-Lichtquelle betrieben wird nur indirekt, indem Sie die Spannung V LED bestimmen, die am Vorwiderstand abfällt. Der Strom, mit der die LED betrieben wird, ist ein Maÿ für die Lichtintensität. Verwenden Sie für die Messung einen Vorwiderstand von 1 kω. Stellen Sie den Impulszähler auf Frequenzmessung. Messen Sie nun die Abhängigkeit der Frequenz der Impulse f von der Spannung an der LED-Lichtquelle V LED. Nehmen Sie ca. zehn Wertepaare im gesamten Spannungsbereich der LED-Lichtquelle auf. Schalten Sie die Messzeit am Zähler dazu auf 10 s. Nach jeweils 10 s wird automatisch der aktualisierte Wert der Zählrate angezeigt. Nach dem Ändern der LED-Spannung ist zu beachten, dass erst die übernächste Zählrate vollständig für die neue Spannung aufgenommen wurde. Auswertung Erstellen Sie ein Diagramm, in dem Sie die maximale Spannung der Elektronenlawine V a in Abhängigkeit von der an die Detektor-LED angelegten Spannung V d auftragen. Zeichnen Sie eine Ausgleichsgerade und ermitteln Sie mithilfe dieser Ausgleichsgerade die Durchbruchspannung V br. 4

5 2. Teil: Messung der Abhängigkeit zwischen der Intensität der Lichtquelle und der Frequenz der Berechnen Sie aus den Werten der Spannung an der LED-Lichtquelle V LED und dem eingestellten Vorwiderstand von 1 kω, die Stromstärke I LED mit Hilfe des ohmschen Gesetzes U = R I. Erstellen Sie ein Diagramm, in dem Sie die Frequenz der Impulse f in Abhängigkeit von der Stromstärke in der LED-Lichtquelle I LED auftragen. Zeichnen Sie eine Ausgleichsgerade. Deutung Interpretieren Sie das Diagramm aus der Auswertung und erläutern Sie, wie Sie die Durchbruchspannung V br bestimmt haben. 2. Teil: Messung der Abhängigkeit zwischen der Intensität der Lichtquelle und der Frequenz der Interpretieren Sie das Diagramm. Erläutern Sie, wieso sich (ungefähr) ein proportionaler Zusammenhang zwischen f und I LED ergibt. Zusatzfragen: Für den Quench-Widerstand wurde im Versuch die höchste Einstellung gewählt. Was erwarten Sie, wie sich die Stromimpulse verändern, wenn man diesen Widerstand verringert? Begründen Sie Ihre Antwort. Begründen Sie auch, warum man für den Versuch die höchste Einstellung wählt. Warum ist der Zusammenhang zwischen f und I LED, der im 2. Teil des Versuchs bestimmt wurde nicht exakt proportional? Bei vielen Ereignissen, die einzelne Impulse im Detektor ausgelöst haben, treen nicht nur einzelne Photonen, sondern wenige Photonen gleichzeitig ein, die zusammenhängen (Bunching). Wie kann man sichergehen, nur Einzelphotonen zu erzeugen? Recherchieren Sie dazu. 5