Imaging in luminescenza - Università di Cagliaripeople.unica.it/danielechiriu/files/2016/04/LEZIONE2.pdf · Sistemi Ottici di accoppiamento •Lenti •Filtri •Specchi •Fibre

Imaging in luminescenza

Effetto Raman: scattering anelastico trattazione classica

SU SISTEMI «COMPLESSI»:

• Concetto di vibrazioni localizzate

• Stretching

• Bending

• Scissor

• Rocking

• Twisting

• Wagging

Misure Raman

L’utilizzo di sorgente perfettamente monocromatica e «filtro

notch» è fondamentale!

Ricapitolando: Misure ottiche

•Sorgenti di eccitazione (Lampade, LED,

Laser)

•Sistema ottico di accoppiamento (lenti,

specchi, filtri ecc..)

•Apparato dispersivo (Monocromatore)

•Apparato di rivelazione (CCD, fototubi ecc.)

Sorgenti di eccitazione: lampade

Sorgenti di eccitazione: LED

LIGHT AMIPLIFICATION by STIMULATED EMISSION of

RADIATION (L.A.S.E.R.)

• Mezzo attivo (gas, liquido, stato solido) in cui avvengono le

transizioni ottiche sotto un processo di emissione stimolata

• Processo di pompaggio atto a eccitare il mezzo attivo e

provocare l’inversione di popolazione

• Risuonatore ottico in grado di accordare una cavità in cui è

contenuto il mezzo attivo e selezionare, dopo amplificazione,

fotoni con la stessa lunghezza d’onda (monocromaticità)

Sorgenti di eccitazione: LASER

Laser a gas

Laser ad Eccimeri

Dye Laser

Laser a semiconduttore

Laser a cristallo

Sistemi Ottici di accoppiamento

•Lenti

•Filtri

•Specchi

•Fibre ottiche

Lenti sottili

fss

1

'

1

1

1

1

1 1

211

2

RRn

n

f

s

s

y

ym

'

'

equazione del

costruttore di lenti

equazione delle lenti

ingrandimento laterale

Filtri ottici

Filtri specifici per Raman

Filtro interferenziale Filtro Notch

Apparato dispersivo: Monocromatore

• Fenditura variabile in entrata

• Elemento dispersivo (reticolo a diffrazione)

• Fenditura variabile in uscita

• Risoluzione spettrale

• Banda passante

• Risposta spettrale: blaze

Apparati di rivelazione

• Responsività segnale elettrico (corrente, tensione o carica) generato dalla

radiazione luminosa raccolta [I/W, V/W, Q/W]

• NEP potenza necessaria a generare un rapporto S/N =1 [W], tenendo presente

che il livello di rumore è proporzionale alla radice quadrata della banda elettrica

questo verrà normalmente espresso in W/Hz1/2

• Detettività (D*) lega tra la responsività, il rumore e l'area del rivelatore. Permette

di confrontare rivelatori diversi indipendentemente dalla loro superficie.

D*=R(Ad*B)1/2/In

(Responsività(area rivelatore * banda elettrica)1/2/corrente di rumore [ cm Hz1/2 W -1])

Si può notare che:

D*=Ad1/2/NEP

• QE percentuale di fotoni convertita in elettroni, è funzione di l e si identifica con la

risposta spettrale del dispositivo;

• Linearità è la variazione della Responsività ( R ) rispetto alla intensità della radiazione raccolta.

• Dinamica è il rapporto tra il massimo segnale possibile ( prima che si manifestino non linearità) e il NEP. Nei CCD viene spesso indicata tramite la Well Capacity

• Well Capacity numero totale di elettroni disponibili nel singolo pixel ( per una determinata condizione di lavoro e velocità di lettura)

• Corrente di buio è la corrente nel rivelatore pur in assenza di segnale. Nei CCD può raggiungere valori estremamente bassi (e*pixel/ora)

• Banda elettrica [Tempo di risposta] banda passante del rivelatore e/o dell'elettronica di processamento (Hz), nelle matrici spesso viene identificata con la velocità del Multiplexer e del convertitore A/D, viene tipicamente espressa in Pixel/sec o frame/sec (per i CCD interlinea).

• Rapporto di riempimento (filling factor) è il rapporto tra l'area attiva del pixel ed il passo (centro-centro), nei CCD scientifici è in genere uguale a 1. Negli interlinea è circa 0.4 (vedi paragrafo successivo). Questo parametro è importante al fine di valutare il flusso effettivamente intercettato dal rivelatore, si dovrà quindi tener conto di questo parametro per esempio nel valutare le QE di rivelatori diversi

Principali detectors • Microbolometri e Pirolettrici, sono rivelatori termici, mostrano una banda spettrale

estremamente larga, limitata fondamentalmente dal trattamento superficiale. Il campo di applicazione tipico è l'infrarosso termico ( da 1 a oltre 14 μm). Pur avendo comportamento simile va notato che i pirolettrici sono sensibili solo alle variazioni di segnale. In caso di segnali continui si dovrà modulare il segnale, ad esempio utilizzando modulatori elettromeccanici quali specchi rotanti o chopper (modulatore a disco rotante).

• Fotodiodi, sono i rivelatori di uso più comune, a seconda del materiale usato sono disponibili rivelatori per UV, NIR ed Infrarosso termico (3-14 μm) Offrono elevata sensibilità e tempo di risposta molto rapido (larga banda di frequenza elettrica). Possono essere usati sia in configurazione fotovoltaica che fotoconduttiva. La prima configurazione offre, in genere, migliori prestazioni in rumore ma è peggiore nella risposta in frequenza e in dinamica.

• CCD, rivelatori quantici, hanno bassissimo rumore e corrente di buio, sono quindi particolarmente adatti per tempi di esposizione molto lunghi. Applicazioni tipiche sono la spettroscopia e la microscopia in fluorescenza. Esiste una tipologia specifica, chiamata Back Illuminated, ottenuta assottigliando il rivelatore dal lato del substrato (parte posteriore del dispositivo) e quindi utilizzando la superficie posteriore e non quella frontale per la raccolta del segnale. In tal modo si ottengono valori più elevati per la QE ed una risposta spettrale più ampia verso l'UV.

• C-MOS, rivelatori quantici hanno in genere elevato rumore compensato da una banda elettrica molto larga. Sono utilizzati per “imaging” ad alta velocità (500-100.000 frame al secondo).

• CCD interlinea, la struttura di questi rivelatori è normalmente costituita da una matrice di fotodiodi di piccole dimensioni con un rapporto di riempimento piuttosto basso, e da una o più matrici CCD con funzione di memoria di appoggio (da cui il nome CCD anche se i sensori veri e propri sono fotodiodi). Al fine di allargare l'area di raccolta del singolo pixel, viene utilizzata una matrice di lenti ad immersione (piccole semisfere) che moltiplicano l'area utile per il quadrato dell'indice di rifrazione. Tale soluzione è però utilizzabile solo con ottiche non molto luminose (F# >>1). La matrice di lenti può essere costituita da filtri RGB (Rosso, Verde, Blu) e quindi essere utilizzata per immagini a colori. Questo tipo di CCD permette bande elettriche molto larghe (20 Mpixel/sec, 50-100 frame/sec) con livelli di rumore compatibili con la microscopia in fluorescenza, essi si collocano quindi a metà strada tra i CCD e i C-MOS.

• Fotomoltiplicatori sono disponibili sia singoli che a piccole matrici. Offrono un'elevata area di raccolta e un guadagno elevatissimo, hanno buona dinamica e banda elettrica, per contro richiedono elevate tensioni di polarizzazione. In conseguenza una assieme completo (fotomoltiplicatore + housing + alimentatore + amplificatore ) può risultare costoso e delicato nell'uso. La risposta spettrale dipende dal materiale usato per il fotocatodo (superficie frontale). La disponibilità attuale di fotodiodi con prestazioni molto vicine a quelle dei fotomoltiplicatori, ma di uso molto più semplice, ne sta limitando l'uso solo ai casi in cui è indispensabile la loro sensibilità.