AIXscan - Messsystem für Terahertz-Spektroskopie

AIXscan^® ist ein integriertes Mess- und Steuerungssystem zur Analyse ultraschneller Signale. Das System wurde speziell für die zeitaufgelöste Terahertz-Spektroskopie (engl. "Time-Resolved Terahertz Spectroscopy", TRTS) entwickelt. Typische Anwendungen sind bspw.

• THz-Analyse und Bildgebung
• Zeitaufgelöste Femto-Sekunden-Laser-Messtechnik (fs-Spektroskopie)
• Elektro-optisches Sampling
• Umwelt- und biologische Analytik
• Pump-Probe-Experimente mit optischer und mechanischer Verzögerung

Es unterstützt gleichzeitig folgende Verfahren ohne mechanische Verzögerungsstrecke:

• Asynchrone optische Abtastung (engl. "Asynchronous Optical Sampling", ASOPS)  
• Elektronisch gesteuerte optische Abtastung (engl. "Electronically Controlled Optical Sampling", ECOPS)
• Optische Kohärenztomographie (engl. "Optical Coherence Tomography", OCT)

Mess- und Steuermethode

Ein verbreiteter Ansatz für zeitaufgelöste Messungen mit Zeitskalen im Bereich t <10^-12s ist ein Pump-Probe-Setup unter Verwendung von gepulsten Pikosekunden- oder Femtosekunden-Lasern. Die ultrakurzen Laserpulse dienen dazu, das gewünschte Messsignal stroboskopartig in kürzesten Zeitabschnitten aufzunehmen. Mit Hilfe von Detektoren wie der THz-Nahfeld-Sonde wird das Terahertz-Signal in einen messbaren Frequenzbereich transponiert.

Fig.1: THz-Sonde

Beim Pump-Probe-Setup wird der Laserstrahl in einen Pump- und einen dazu zeitlich verzögerten Probe-Puls aufgesplittet. Der Pump-Puls dient zur Anregung der Messprobe, der Probe-Puls analysiert die Reaktion der Messprobe (Änderung der Reflexion und Durchlässigkeit). Über eine motorisierte Verzögerungsstufe wird die zeitliche Verzögerung zwischen den beiden Pulsen im Verlauf der Gesamtmessung variiert. Zur Verbesserung des Rauschverhältnisses (engl. "signal-to-noise ratio", SNR) kommt beim klassischen Ansatz ein so genannter Lock-In-Verstärker zum Einsatz, welcher die induzierten Signalveränderungen für jede Verzögerung über einen längeren Zeitraum misst und anschließend mittelt. Dieser Ansatz bedingt jedoch eine längere Messzeit und eine hohe Empfindlichkeit gegenüber langsamen Signaländerungen (z. B. Drifts) und Fluktuationen des Lasers.

Das komplett integrierte AIXscan-System überwindet diese Nachteile und reduziert die Messzeit um ein Vielfaches. AIXscan basiert auf der bewährten SATURN Transientenrekorder-Familie und kombiniert schnelle Datenerfassung, Rauschunterdrückung und Verzögerungssteuerung in einem System. Es nutzt die leistungsfähige FastScan-Signalmittelungs-Technologie von AMOtronics und ersetzt damit den Lock-in-Verstärker. Eine äußerst präzise Laufzeitverzögerungssteuerung und Klasse-D-Verstärker gewährleisten eine äußerst zuverlässige Steuerung des Messaufbaus.

Vorteile der FastScan-Technologie

Die Besonderheit des AIXscan-Systems ist die präzise Synchronisation von Datenerfassung und Verzögerungssteuerung. Die motorisierte Verzögerungsstufe dient hierbei nur zur Grobjustierung. Während der Messung steuert das AIXscan-System einen schnellen Shaker, welcher die Weglänge des Lasers periodisch mit hoher Frequenz ändert. Mit Hilfe der Echtzeit-FastScan-Technologie erfasst die Messeinheit parallel dazu komplette Transienten des Signals und speichert sie unmittelbar im Speicher der SATURN-Messkarten (OnBoard-Memory). Dies ermöglicht eine drastische Reduzierung der Gesamtmesszeit und macht das System unempfindlich gegenüber Signaldrifts. Die Scanrate erreicht bis zu 100 Transienten pro Sekunde und liegt damit deutlich über dem niederfrequenten Rauschen des Lasers. Mit Hilfe des FastScan-Verfahrens von AMOtronics kann dadurch auch für kleinste Signale ein Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) von 10⁶ bis 10⁹ erreicht werden.

Fig.2: Schematischer Aufbau eines AIXscan-Pump-Probe-Setups

AIXscan Software

Ein weiterer nicht zu unterschätzender Vorteil des AIXscan-Systems ist die mitgelieferte Software. Sie basiert auf der SATURN Studio II Software von AMOtronics und erweitert diese um zusätzliche Menüs. Sie vereinfachen dem Anwender die Konfiguration der Hardware, die Steuerung der Messung und ermöglichen diekt im Anschluß eine komfortable interaktive Analyse der Ergebnisse mit den umfangreichen Standardfunktionen der SATURN Studio II-Software. Auf Wunsch ist auch eine komplett automatisierte Auswertung inklusive Berichterstellung möglich.

Fig.3: AIXscan-Menüs integriert in die SATURN Studio II Software