WO2016075342A1 - System, method and computer program for measuring and analysing temporal light signals - Google Patents
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Abstract
The invention relates to a system for analysing temporally modulated pulsed light signals according to a frequency fe, and which comprises: time-space conversion means comprising deflection means (3) for receiving a temporally variable light signal (Sr) and converting same into a spatially variable one (Or), and control means (6) that control the deflection means (3) so that they operate at a deflection frequency fd, such that formula (i) applies, wherein n is a natural number other than zero; multichannel photo-detection means (4) for detecting the spatially variable light signal (Or); and processing means (5) for processing the spatially variable light signal (Or). The method is adapted to use the system of the invention, and the computer program implements the data processing of the method.
Description
Sistema, método y programa de ordenador para la medida y análisis de señales Computer system, method and program for signal measurement and analysis
luminosas temporales luminous temporary
Sector de la técnica Technical sector
La presente invención concierne en general, en un primer aspecto, a un sistema para la medida y análisis de señales luminosas temporales, que comprende medios de conversión tiempo-espacio para transformar, por deflexión, una señal luminosa variable temporalmente en una señal luminosa variable especialmente, y medios para detectar y analizar esta última, y más particularmente a un sistema previsto para el análisis de señales luminosas pulsadas moduladas temporalmente que permite variar la frecuencia de deflexión para sincronizarla con la de la modulación temporal de las señales luminosas pulsadas. The present invention generally concerns, in a first aspect, a system for the measurement and analysis of temporary light signals, which comprises means of space-time conversion to transform, by deflection, a light signal temporarily variable into a variable light signal especially , and means for detecting and analyzing the latter, and more particularly to a system intended for the analysis of pulsed light signals modulated temporarily that allows varying the frequency of deflection to synchronize it with that of the temporary modulation of the pulsed light signals.
En un segundo aspecto, ia presente invención concierne un método adaptado para utilizar el sistema del primer aspecto. In a second aspect, the present invention concerns a method adapted to use the system of the first aspect.
Un tercer aspecto de la presente invención concierne a un programa de ordenador que ¡mplementa el procesamiento de datos del método de! segundo aspecto de la invención. A third aspect of the present invention concerns a computer program that complements the data processing of the method of! second aspect of the invention.
La invención es particularmente aplicable a la medida de señales luminosas emitidas por fotoluminiscencia por una muestra. The invention is particularly applicable to the measurement of light signals emitted by photoluminescence by a sample.
Estado de ia técnica anterior State of the prior art
Las técnicas de fotoluminiscencia (o fluorescencia) resuelta en tiempo son técnicas de análisis usuales de estados electrónicos con transiciones ópticas de especies en Química Orgánica, Química Inorgánica, Bioquímica. Biología Molecular, así como también en Ciencia de Materiales y Estado Sólido. Dicha técnica es una herramienta de gran capacidad pues ofrece un análisis directo de ia longitud de onda, de la intensidad del pico de fotoluminiscencia/fluorescencia, como del tiempo de vida de! estado electrónico responsable de la fotoluminiscencia/fluorescencia. Típicamente, el dispositivo experimental de fotoluminiscencia está compuesto por un láser de excitación, un espectrómetro y un detector monocanal o multicanal (aunque en este último caso ia combinación de espectrómetro + CCD se denominaría espectrógrafo). Time-resolved photoluminescence (or fluorescence) techniques are usual analysis techniques of electronic states with optical transitions of species in Organic Chemistry, Inorganic Chemistry, Biochemistry. Molecular Biology, as well as in Materials Science and Solid State. This technique is a large capacity tool because it offers a direct analysis of the wavelength, the intensity of the photoluminescence / fluorescence peak, and the life time of! electronic state responsible for photoluminescence / fluorescence. Typically, the experimental photoluminescence device is composed of an excitation laser, a spectrometer and a single-channel or multi-channel detector (although in the latter case the combination of spectrometer + CCD would be called a spectrograph).
El valor del tiempo de vida puede depender de muchos factores, como por ejemplo de la interacción de la molécula responsable de ia fluorescencia con el medio que ¡a rodee, por lo que también se puede utilizar como magnitud representativa en técnicas de bio-diagnóstíco
usando bio-marcadores fluorescentes. Su medida experimental se extrae del transitorio de fotoluminiscencia/fluorescencia del sistema emisor bajo estudio, cuando es excitado ópticamente (láser) o eléctricamente (diodo). En el caso de usar una fuente óptica de excitación, se usan láseres pulsados, con una anchura de pulso y una frecuencia de repetición adecuada a !a resolución temporal necesitada (las más usuales varían entre los nanosegundos (ns) y los microsegundos (μ5)). Además de! láser de excitación, suele usarse un espectrómetro para seleccionar la longitud de onda de ¡a fotoluminiscencia/fluorescencia (o bien un filtro pasa-banda adecuado), así como una electrónica de correlación temporal de fotones (conocida típicamente como tarjeta TCSPC), que usa la señal del láser de excitación en su puerta de disparo (o parada) y ia señal a analizar en su puerta de parada (o disparo), usando en esta última puerta un detector monocanal para contaje de fotones adecuado a las necesidades concretas de sensibilidad y resolución temporal requerida (tipo APD -fotodiodo de avalancha- o un fotomultipSicador). La electrónica TCSPC es el elemento principal de la técnica, usada por la mayoría de sistemas comerciales. The value of the life time can depend on many factors, such as the interaction of the molecule responsible for fluorescence with the surrounding environment, so it can also be used as a representative magnitude in bio-diagnostic techniques using fluorescent bio-markers. Its experimental measurement is taken from the transient photoluminescence / fluorescence of the emitting system under study, when it is excited optically (laser) or electrically (diode). In the case of using an optical source of excitation, pulsed lasers are used, with a pulse width and a repetition frequency appropriate to the temporal resolution needed (the most usual vary between nanoseconds (ns) and microseconds (μ5) ). In addition to! excitation laser, a spectrometer is usually used to select the wavelength of the photoluminescence / fluorescence (or a suitable pass-band filter), as well as a temporary photon correlation electronics (typically known as a TCSPC card), which uses the signal of the excitation laser in its firing gate (or stop) and the signal to be analyzed in its stopping gate (or firing), using in this last door a single-channel detector for photon counting adapted to the specific sensitivity needs and temporal resolution required (APD type - avalanche photo diode - or a photomultip Sicador). TCSPC electronics is the main element of the technique, used by most commercial systems.
La ¡nterferometría de intensidad usando dispositivos experimentales del tipo Hanbury Brown &Twiss (conocido como HBT), es otra de las técnicas de caracterización de luz que se basa en el uso de las tarjetas TCSPC. Desde que Hanbury, Brown & Tv/iss propusieron su montaje experimental para medir extensiones estelares, la técnica se ha desarrollado en múltiples campos, como por ejemplo la óptica cuántica, la física de partículas o en nanotecnolog ía. Actualmente es una técnica ampliamente usada en la caracterización de nanoestructuras cuánticas, ias cuales podrían ser ia base de posibles diodos emisores de fotones uno a uno o fotones entrelazados, o para el estudio de ia Interacción entre fotones una vez han sido emitidos. En la técnica HBT, ia señal a analizar se divide en dos caminos, uno que se conectará a la puerta de disparo (START) de la tarjeta TCSPC y otro, que añade un retraso temporal respecto al primero, que se conectará a ¡a puerta de parada (STOP) de esta misma tarjeta. Con estos sistemas se consigue medir sxperimeníalmente la función de correlación de segundo orden (g'(T)) de un emisor dado. El patrón de g2(†j en función del retraso entre los canales START y STOP está directamente relacionado con la estadística de emisión de fotones, Se dice que para una estadística de emisión térmica se obtiene un patrón de "fotones agrupados" (en inglés "bunched"), para una estadística de emisión aleatoria se obtiene un patrón plano (g"'(v) = 1), mientras que para una emisión de fotones uno a uno se obtiene un patrón de "fotones anti-agrupados" (en inglés "antibunched"). Hoy día en la técnica HBT se usan habituaimente ios detectores APD, pues tienen altas eficiencias de detección y son sufícieníemeníe rápidos para poder resolver temporalmente el proceso físico de ia emisión (de! orden dei ns), como es el caso del tiempo de vida de un
punto cuántico semiconductor, pero también de muchas otras moléculas orgánicas (con tiempos más cercanos a los jis). En estos experimentos, debido a que e! rango temporal de análisis y la Intensidad de ia emisión dei sistema físico son pequeños, la obtención de una muestra que permita reconstruir una estadística de emisión fiable suele requerir tiempos de integración del orden de las horas, Intensity interferometry using experimental devices of the Hanbury Brown & Twiss type (known as HBT) is another of the light characterization techniques that is based on the use of TCSPC cards. Since Hanbury, Brown & Tv / iss proposed their experimental setup to measure stellar extensions, the technique has been developed in multiple fields, such as quantum optics, particle physics or nanotechnology. It is currently a technique widely used in the characterization of quantum nanostructures, which could be the basis of possible emitting diodes of one-to-one photons or interlaced photons, or for the study of the Interaction between photons once they have been emitted. In the HBT technique, the signal to be analyzed is divided into two paths, one that will be connected to the trigger gate (START) of the TCSPC card and the other, which adds a temporary delay with respect to the first, which will be connected to the door. stop (STOP) of this same card. With these systems, the second-order correlation function (g '(T)) of a given emitter is measured perimentially. The pattern of g 2 († j depending on the delay between the START and STOP channels is directly related to the photon emission statistics. It is said that for a thermal emission statistic a pattern of "grouped photons" is obtained (in English "bunched"), for a random emission statistic a flat pattern is obtained (g "' (v) = 1), while for a one-to-one photon emission a pattern of" anti-clustered photons "is obtained (in English "antibunched"). Today, in the HBT technique, APD detectors are commonly used, since they have high detection efficiencies and are fast enough to be able to temporarily resolve the physical process of the emission (of the order of the ns), as is the case of the life time of a semiconductor quantum point, but also of many other organic molecules (with times closer to jis). In these experiments, because e! temporal range of analysis and the intensity of the physical system emission are small, obtaining a sample that allows to reconstruct a reliable emission statistic usually requires integration times of the order of hours,
En ia actualidad ia técnica más usada para realizar medidas ópticas de tiempo de vida se basan en la técnica de correlación temporal de contaje de fotones (Time Correlaíed Single Photon Counting (TCSPC)), aunque existen otras corno ías basadas en el uso de Cámaras "Streak", técnicas de "up-conversion", sincronizado estroboscópico o métodos "boxear". Currently, the most commonly used technique for performing optical life-time measurements is based on the technique of temporary correlation of photon counting (TCSPC), although there are other cornets based on the use of Cameras " Streak ", up-conversion techniques, strobe synchronized or" boxing "methods.
A continuación se ciían una serie de referencias, que incluyen artículos y documentos de patente, que reflejan el estado de la técnica de ia presente invención. A series of references, including articles and patent documents, reflect the state of the art of the present invention.
En el artículo "Stroboscopic fluorescence lifetime imaging", Holton M D et a!, OPTICS EXPRESS, Vol. 17, N°. 7, 2009, se describe un dispositivo para la medida de imagen de tiempo de vida de fluorescencia con condición estroboscópica que usa la respuesta integrada en tiempo de una excitación óptica periódica. El láser pulsado se acopla a un microscopio de fluorescencia y una cámara. La muestra no se ilumina directamente. Tienen un espejo dicroico pero no lo roían. Además, este sincronizado estroboscópico se basa en el barrido de la frecuencia de repetición dei iáser (o LED modulado) de excitación, para contrastar la señal de fluorescencia detectada con un detector monocanal de en función de dicho barrido. La medida quedará, por tanto, determinada por dos frecuencias, ia característica dei tiempo de vida del emisor estudiado (γ = 1/ τ, donde τ es el tiempo de vida de ia fluorescencia) y ia frecuencia de repetición dei láser de la fuente de excitación (frep). El funcionamiento del dispositivo propuesto en dicho artículo no incluye hacer rotar el espejo ni utilizarlo para relacionar una medida temporal con una espacial. In the article "Stroboscopic fluorescence lifetime imaging", Holton M D et a !, OPTICS EXPRESS, Vol. 17, No. 7, 2009, a device for measuring the life time image of fluorescence with strobe condition using the integrated time response of a periodic optical excitation is described. The pulsed laser is coupled to a fluorescence microscope and a camera. The sample does not light directly. They have a dichroic mirror but they don't steal it. In addition, this synchronized strobe is based on the sweep of the repetition frequency of the excitation laser (or modulated LED), to contrast the fluorescence signal detected with a single-channel detector based on said sweep. The measurement will therefore be determined by two frequencies, the characteristic of the lifetime of the emitter studied (γ = 1 / τ, where τ is the lifetime of the fluorescence) and the repetition frequency of the laser of the source of excitation (frep). The operation of the device proposed in that article does not include rotating the mirror or using it to relate a temporal measure with a spatial one.
En la solicitud US2Q01 0050334 se describe un método y aparato para medir pulsos electromagnéticos como una función dei tiempo. Se usa un modulador óptico en combinación con una cámara "Streak". El modulador electro-Óptico transforma la intensidad óptica en una señal eléctrica proporcional que se deflecta por la interacción con un campo eléctrico. Este dispositivo permite medir tiempos de vida pero no usa ningún espejo. In the application US2Q01 0050334 a method and apparatus for measuring electromagnetic pulses is described as a function of time. An optical modulator is used in combination with a "Streak" camera. The electro-optical modulator transforms the optical intensity into a proportional electrical signal that is deflected by the interaction with an electric field. This device allows to measure life times but does not use any mirror.
En el artículo "Versatile hlgh speed rotating mirror cameras", A. Skinner, J . SCI. Insirum., VOL. 39, 1962, y en la patente US8107809 se describen tecnologías de fotografía de ultra- alta velocidad utilizando espejos rotatorios, siendo un tipo de dispositivo de captura de
4 In the article "Versatile hlgh speed rotating mirror cameras", A. Skinner, J. SCI. Insirum., VOL. 39, 1962, and ultra-high speed photography technologies using rotary mirrors are described in US8107809, being a type of capture device for 4
sucesión' de imfgenes que comparte algunos elementos con las cámaras con espejo rotatorio pero sin ia matriz de ¡entes. En ei articulo mencionado se expone un método para realizar capturas individualizadas de una imagen estática en una película fotográfica fija, y se meieiona su utilidad para capturar eventos rápidos y registrarlos en una película 5 fotográfica. El método propuesto en dicho artículo incluye el uso de un fotomultipiicador, así como la sincronizacion de ia captura del evento al ser fotografiado con ia rotación del espejo, pero no ia sincronización de la excitación y ei elemento defléctor. Ademas, este tipo de captura se reaiiza con una soia adquisición. Por otra parte, en US8107809 usan una CCD. Ni en ei citado artículo ni en US8107809 se propone la medición de tiempos de vida.succession 'of imfgenes which shares some elements with rotating mirror cameras but without the matrix of entities. In the mentioned article, a method for making individualized captures of a static image on a fixed photographic film is exposed, and its usefulness for capturing rapid events and recording them on a photographic film is shaken. The method proposed in that article includes the use of a photomultiplier, as well as the synchronization of the capture of the event when photographed with the rotation of the mirror, but not the synchronization of the excitation and the deflecting element. In addition, this type of capture is reaiiza with a soia acquisition. On the other hand, in US8107809 they use a CCD. Neither in said article nor in US8107809 is the measurement of life times proposed.
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En la patente US6809816 se propone un dispositivo para medir el tiempo de caída de fluorescencia, que comprende un láser, un espejo dicroico y un fotomultipiicador. No se propone en dicha patente la realizacíón de ninguna sincronización ni aplicar una condición estrobosoopica. In US6809816 a device for measuring the time of fluorescence fall is proposed, which comprises a laser, a dichroic mirror and a photomultiplier. It is not proposed in said patent to perform any synchronization or apply a stroboscopic condition.
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En la solicitud US20130087718 se describe un dispositivo de medida de imagen de tiempo de vida de fluorescencia confocal, que comprende una fuente de excitación de luz que ilumina un área concreta y usa un espejo para escanear y obtener información de distintas partes de ia muestra, así como un detector dispuesto para funcionar en sincronización con ia 20 iuz pulsada de la fuente de excitación que permite ia medida de ia fluorescencia resuelta en ei tiempo. No se propone en dicha solicitud sincronizar la frecuencia:; de la excitación con la frecuencia de giro del espejo. In the application US20130087718 a confocal fluorescence life time image measuring device is described, which comprises a light excitation source that illuminates a specific area and uses a mirror to scan and obtain information from different parts of the sample, as well. as a detector arranged to operate in synchronization with the 20 iuz pulsed of the excitation source that allows the measurement of the fluorescence resolved in time. It is not proposed in this request to synchronize the frequency :; of the excitation with the frequency of rotation of the mirror.
En la patente US7453:567 se describe un dispositivo y método de medida de imagen de 25 distribubion de tiempo de vida de fluorescencia. Consta de un Üser pulsado y una cámara "Streak", usan un espejo mediante ei que realizan un escaneado en superficie. El periodo del pulso de excitación de ia iuz emitida se sincroniza con ei periodo de barrido de la cámara "Streak". In US7453: 567 a device and method of measurement of fluorescence time distribution time distribution is described. It consists of a pulsed Üser and a "Streak" camera, they use a mirror by means of which they perform a surface scan. The period of the excitation pulse of the emitted iaz is synchronized with the scanning period of the "Streak" camera.
30 Finalmente, en la patente US5636050 se describe el uso de una cámara "Streak" para ia medida de pulsos electrcmagrlllieos que inciuye un colimador Óptico, un deflector óptico, un detector y un elemento de vlsuaiizaóión. Se basan en la variación" del índice de refracción del medio en función dei tiempo. Sin embargo no realizan la deflexión con un sistema que varía ia frecuencia de deflexión. La sincronización se realiza entre la excitación y ia capturaFinally, US5636050 describes the use of a "Streak" camera for the measurement of electrocrystalline pulses that includes an Optical collimator, an optical deflector, a detector and a vlsuaiizaóion element. They are based on the variation of the refractive index of the medium as a function of time. However, they do not perform deflection with a system that varies the frequency of deflection. Synchronization is performed between excitation and capture.
35 en el elemento de visualizarán. En este caso la deflexión se realiza sin usar una conversión a electrones. Ei sistema descrito en esta patente reühe los elementos del préambuio de ia reivindicación 1 de ia presente invencíón.
Explicación cié ia invención 35 in the item will be displayed. In this case the deflection is done without using an conversion to electrons. The system described in this patent collects the elements of the preamble of claim 1 of the present invention. Explanation of the invention
Resulta necesario ofrecer una alternativa al estado de la técnica, que permita obtener un sistema y un método más eficientes y ventajosos que ios conocidos, en particular que ios divulgados por US5636050, y más en particular en relación ai mecanismo de sincronización utilizado, que incluya la variación controlada de ia frecuencia de deflexión. It is necessary to offer an alternative to the state of the art, which makes it possible to obtain a more efficient and advantageous system and method than those known, in particular those disclosed by US5636050, and more particularly in relation to the synchronization mechanism used, which includes the controlled variation of the frequency of deflection.
Con tai fin, la presente invención concierne, en un primer aspecto, a un sistema para la medida y análisis de señales luminosas temporales, que comprende: To this end, the present invention concerns, in a first aspect, a system for the measurement and analysis of temporary light signals, comprising:
- medios de conversión tiempo-espacio que comprenden unos medios de deflexión configurados y dispuestos para recibir una señal luminosa variable temporalmente y convertirla en una señal luminosa variable espacíalmente; - time-to-space conversion means comprising deflection means configured and arranged to receive a temporarily variable light signal and convert it into a spatially variable light signal;
- medios de foto-detección muiticanal configurados y dispuestos para detectar dicha señal luminosa variable espacíalmente; y - muitichannel photo-detection means configured and arranged to detect said spatially variable light signal; Y
- medios de procesamiento en conexión con dichos medios de foto-detección muiticanal y configurados y dispuestos para recibir y procesar unos datos proporcionados por éstos y correspondientes o asociados a unos valores que ia señal luminosa variable espacíalmente tiene en cada uno de ios canales de ios medios de foto-detección muiticanal. - processing means in connection with said mutational photo-sensing means and configured and arranged to receive and process data provided by them and corresponding or associated to values that the spatially variable light signal has in each of the channels of the media of photo-detection muitichannel.
A diferencia de los sistemas conocidos, el propuesto por el primer aspecto de la invención está previsto para ei análisis de señales luminosas pulsadas moduladas temporalmente según una frecuencia de excitación fe. y dichos medios de conversión tiempo-espacio comprenden unos medios de control que controlan a dichos medios de deflexión para que operen sincronizadamente con dicha modulación temporal con una frecuencia de deflexión fd ta! que:
Unlike the known systems, the one proposed by the first aspect of the invention is intended for the analysis of pulsed light signals temporarily modulated according to an excitation frequency fe. and said time-to-space conversion means comprise control means that control said deflection means so that they operate synchronously with said temporal modulation with a deflection frequency fd ta! that:
donde n es un numero natural distinto de cero. where n is a natural number other than zero.
Según un ejemplo de realización, ios medios de deflexión comprenden como mínimo un elemento deflector de luz configurado y dispuesto para dirigir secuencialmente, bajo el control de ios medios de control, diferentes porciones temporales de la señal luminosa variable temporalmente a unas correspondientes diferentes zonas de foto-detección de los medios de foto-detección muiticanal, caca una asociada como mínimo a uno de ios canales de foto-detección.
De acuerdo a un ejemplo de realización preferido, el elemento (o elementos) defiecíor de luz es despiazable bajo el control de ¡os medios de control para producir el citado direccionamiento de las diferentes porciones temporales de la señal luminosa variable temporalmente a las correspondientes diferentes zonas de foto-detección de los medios de foto-detección muiticanai. According to an exemplary embodiment, the deflection means comprise at least one light deflector element configured and arranged to sequentially, under the control of the control means, different temporary portions of the light signal temporarily variable to corresponding different photo areas -detection of the means of photo-detection muiticanal, poop one associated with at least one of the channels of photo-detection. According to a preferred embodiment, the light-deflecting element (or elements) is ruthless under the control of the control means to produce said addressing of the different temporal portions of the temporarily variable light signal to the corresponding different zones of photo-detection of muiticanai photo-detection media.
Para una variante de dicho ejemplo de realización preferido, el elemento (o elementos) ceflector de luz es despiazable rotatoriamente alrededor de corno mínimo un eje de giro, y está dispuesto para que en función de su posición angular dirija a la señal luminosa variable temporalmente, incidente sobre el mismo, hacia una u otra de las zonas de foto-detección de los medios de foto-detección muiticanai, donde fd corresponde a la frecuencia de giro dei elemento defíector de luz alrededor de dicho eje de giro. For a variant of said preferred embodiment, the light-ceflector element (or elements) is rotationally runaway around a minimum axis of rotation, and is arranged so that depending on its angular position it directs the temporarily variable light signal, incident on it, towards one or the other of the photo-detection zones of the muiticanai photo-detection means, where fd corresponds to the frequency of rotation of the light-deflecting element around said axis of rotation.
El elemento (o elementos) defíector de luz desvía la luz por reflexión y/o por transmisión, en función del ejemplo de realización. The light deflecting element (or elements) deflects the light by reflection and / or by transmission, depending on the embodiment.
De acuerdo con un ejemplo de realización, el elemento (o elementos) defíector de luz comprende como mínimo un espejo con una o más caras reflectantes. According to an exemplary embodiment, the light deflecting element (or elements) comprises at least one mirror with one or more reflective faces.
Por lo q ue se refiere a los medios de deflexión, éstos comprenden, en función del ejempio de realización, uno o más de ios siguientes dispositivos: actuadores gaivanomeírlcos, electromecánicos, micro-electromecánicos (MEMS), o mecánicos, que contengan medios deflectores basados en reflexión, difracción o transmisión de luz, como también deflectores acusío-ópticos y/o electro-ópticos, resonadores de micro-anillos o una combinación de cualquiera de estos elementos, en variedad o número. As far as the deflection means are concerned, these comprise, depending on the exemplary embodiment, one or more of the following devices: gaivanomeiric, electromechanical, micro-electromechanical (MEMS), or mechanical actuators, which contain deflector based means in reflection, diffraction or transmission of light, as well as accusional-optical and / or electro-optical deflectors, micro-ring resonators or a combination of any of these elements, in variety or number.
El sistema propuesto por el primer aspecto de la invención está aplicado, de manera preferida, a la medida y el análisis de los tiempos de vida de transiciones ópticas, o de variables relacionadas con dichos tiempos de vida. The system proposed by the first aspect of the invention is preferably applied to the measurement and analysis of the life times of optical transitions, or of variables related to said life times.
Aunque el sistema propuesto por el primer aspecto de ia invención es aplicable, para un ejemplo de realización, a una señal luminosa modulada temporalmente de manera previa mediante unos medios de mod ulación temporal no incluidos en el sistema, para un ejemplo de realización preferido el sistema propuesto por el primer aspecto de la invención comprende unos medios de modulación temporal encargados de llevar a cabo ia citada
modulación temporal de ¡as señales luminosas pulsadas según dicha frecuencia de excitación fe. Although the system proposed by the first aspect of the invention is applicable, for an exemplary embodiment, to a light signal temporarily modulated previously by means of temporary modulation means not included in the system, for a preferred embodiment the system proposed by the first aspect of the invention comprises temporary modulation means responsible for carrying out said citation temporal modulation of the pulsed light signals according to said excitation frequency faith.
Preferentemente, el sistema propuesto por el primer aspecto de ¡a presente invención está aplicado a la medida de señales luminosas emitidas por fotoluminiscencia por una muestra. Los medios de modulación temporal comprenden una fuente de excitación óptica pulsada, que en particular constará de un láser. La fuente de luz quedará configurada y dispuesta para excitar a dicha muestra con una determinada frecuencia de excitación /e. La emisión óptica de ia muestra, quedará modulada temporalmente por medio de dicha excitación pulsada. Preferably, the system proposed by the first aspect of the present invention is applied to the measurement of light signals emitted by photoluminescence by a sample. Temporary modulation means comprise a pulsed optical excitation source, which in particular will consist of a laser. The light source will be configured and arranged to excite said sample with a certain excitation frequency / e. The optical emission of the sample will be temporarily modulated by means of said pulsed excitation.
Según un eiempio de realización, ios medios de foto-detección multicanai comprenden una disposición ordenada de elementos foto-detectores, por ejemplo dei tipo CCD (siglas de los términos en inglés "Charge-Coupled Device": dispositivo con carga acoplada). Los medios de procesamiento están programados para realizar el mencionado análisis de ia señal luminosa modulada temporalmente mediante una Integración, durante un tiempo determinado, de ios datos recibidos en cada uno de dichos elementos foto-detectores. Este tiempo determinado de integración repercutirá en ia relación señal ruido de la medida. Esto se debe a que el sistema ha convertido previamente ios fenómenos temporales en fenómenos espaciales. According to an embodiment, the multicanai photo-sensing means comprise an ordered arrangement of photo-detector elements, for example of the CCD type (acronym for the English terms "Charge-Coupled Device": device with coupled load). The processing means are programmed to perform the aforementioned analysis of the light signal temporarily modulated by means of an Integration, during a certain time, of the data received in each of said photo-detector elements. This specific integration time will have an effect on the signal to noise ratio of the measurement. This is because the system has previously converted the temporal phenomena into spatial phenomena.
Para un ejemplo de realización, el sistema propuesto por el primer aspecto de ia invención comprende un divisor óptico configurado y dispuesto para separar la señal luminosa en dos correspondientes sub-señales luminosas y dirigirlas a dos regiones diferenciadas de los medios de deflexión, estando ios medios de deflexión configurados y dispuestos para, bajo el control de ios medios de control, enviar una de dichas sub-señales luminosas a una de dos agrupaciones de canales de los medios de foto-detección multicanai y enviar la otra sub-señal luminosa a la otra agrupación de canales de ios medios de foto-detección multicanai. For an exemplary embodiment, the system proposed by the first aspect of the invention comprises an optical splitter configured and arranged to separate the light signal into two corresponding light sub-signals and direct them to two distinct regions of the deflection means, the means being of deflection configured and arranged to, under the control of the control means, send one of said light sub-signals to one of two channel groupings of the multicanai photo-detection means and send the other light sub-signal to the other Grouping of multi-media photo-detection media channels.
Para otro ejemplo de realización, que no es aplicable a medidas de correlación, e! numero de sub-señales luminosas es superior a dos, For another embodiment, which is not applicable to correlation measures, e! number of light sub-signals is greater than two,
Según una variante de dicho ejemplo de realización, el sistema comprende un elemento óptico retardador configurado y dispuesto en el camino de una de dichas sub-señales
luminosas para retardar su llegada a los medios de deflexión con respecto a la llegada de la otra sub-señal luminosa. According to a variant of said embodiment, the system comprises a retarding optical element configured and arranged in the path of one of said sub-signals. luminous to delay its arrival to the deflection means with respect to the arrival of the other luminous sub-signal.
De acuerdo con un ejemplo de realización, relativo a la mencionada aplicación del sistema a la medida de señales luminosas emitidas por fotoluminiscencia por una m uestra y a ia inclusión de como mínimo dicho divisor óptico (ventajosamente también de d icho elemento óptico retardador), y en particular a ia realización de medidas de correlación, ios medios de foto-detección muiíicanal comprenden una disposición ordenada de elementos foto- detectores que incluye dos sub-disposiciones diferenciadas (que se denominarán R y L en io subsecuente), cada una de ellas constituyendo una respectiva de dichas dos agrupaciones de canales receptoras de las dos sub-señales luminosas, y ios medios de procesamiento están programados para realizar el análisis de señales luminosas temporales ímplementando técnicas de análisis de estadística de emisión de fotones, procesando los datos proporcionados por los medios de foto-detección muitlcanal en cada una de dichas sub-disposiciones ordenadas de elementos foto-detectores utilizando una función de correlación de orden
donde τ equivale al retardo existente entre cada una de las sub-señales luminosas According to an example of embodiment, relative to the aforementioned application of the system to the measurement of light signals emitted by photoluminescence by a sample and to the inclusion of at least said optical splitter (advantageously also of said retarding optical element), and in Particular to the realization of correlation measures, the mui-channel photo-sensing means comprise an ordered arrangement of photo-sensing elements that includes two differentiated sub-provisions (which will be referred to as R and L in the subsequent), each constituting a respectively of said two groups of receiving channels of the two light sub-signals, and the processing means are programmed to perform the analysis of temporary light signals by implementing photon emission statistics analysis techniques, processing the data provided by the means of muitlcanal photo-detection in each of said sub-provisions or String of photo-detector elements using an order correlation function where τ equals the delay between each of the light sub-signals
Para otro ejemplo de realización, el sistema propuesto por el primer aspecto de ia invención comprende un elemento óptico separador configurado y dispuesto para separar especialmente a la señal luminosa en un continuo de sub-señales luminosas con diferentes longitudes de onda, dispersándolas según un eje Y, y dirigirlas a unas respectivas regiones diferenciadas de ios medios de deflexión , estando los medios de deflexión configurados y dispuestos para , bajo el control de los medios de control, enviar cada una de las sub- señales luminosas a u nas respectivas agrupaciones de canales de los medios de foto- detección multicanal ordenadas según un eje Y. For another example of embodiment, the system proposed by the first aspect of the invention comprises a separating optical element configured and arranged to separate especially the light signal in a continuum of luminous sub-signals with different wavelengths, dispersing them along a Y axis. , and directing them to respective differentiated regions of the deflection means, the deflection means being configured and arranged to, under the control of the control means, send each of the luminous sub-signals to respective channel groupings of the multichannel photo-detection means arranged according to a Y axis.
De acuerdo con una variante de dicho ejemplo de realización, relativo a ia mencionada aplicación del sistema a la medida de señales luminosas emitidas por fotoluminiscencia por una muestra, ios medios de foto-detección multicanal comprenden una disposición ordenada de elementos foto-detectores en forma de cuadricula (por ejemplo una matriz CCD) donde cada una de dichas agrupaciones de canales está formada por una respectiva fila de elementos de foto-detección que se extiende según un ele X y que se encuentran apiladas ia una sobre ia otra según dicho eje Y, conformando dicha cuadrícula, de manera que los datos proporcionados por la cuadricula de elementos foto-detectores se corresponden respectivamente con variaciones de longitud de onda, según el eje Y, y con variaciones
temporales, según eí eje X, y ios medios de procesam ienío están programados para realizar dicho análisis de señales luminosas temporales Implemeníando técnicas de fotoluminiscencia resuelta en tiempo y espectraimente, procesando los datos proporcionados por ia cuadrícula de elementes foto-deíecíores. According to a variant of said exemplary embodiment, relative to the aforementioned application of the system to the measurement of light signals emitted by photoluminescence by a sample, the multichannel photo-sensing means comprise an ordered arrangement of photo-detector elements in the form of grid (for example a CCD matrix) where each of said channel groupings is formed by a respective row of photo-sensing elements that extend along an X and that are stacked on one on top of the other along said Y axis, conforming said grid, so that the data provided by the grid of photo-detector elements correspond respectively to wavelength variations, according to the Y axis, and with variations temporary, according to the X axis, and the processing means are programmed to perform said analysis of temporary light signals Implementing photoluminescence techniques resolved in time and spectrament, processing the data provided by the grid of photodeducer elements.
Un segundo aspecto de ia presente invención concierne a un método para ia medida y análisis de señales luminosas temporales, que comprende: A second aspect of the present invention concerns a method for the measurement and analysis of temporal light signals, comprising:
- recibir una señal luminosa variable temporalmente y convertirla en una señal luminosa variable espaeiaimeníe, utilizando unos med ios de conversión tiempo-espacio que comprenden unos medios de deflexión; - receive a temporarily variable light signal and convert it into a variable light signal, using time-to-space conversion means comprising deflection means;
- delectar dicha señal luminosa variable especialmente en unos medios de foto- detección muitlcanal; y - deleting said variable light signal especially in muitlcanal photo-detection means; Y
- recibir y procesar, mediante unos medios de procesamienío, unos datos proporcionados por d ichos medios de foto-detección muitlcanal y correspondientes o asociados a unos valores que la seña! lum inosa variable especialmente tiene en cada uno de ios canales de los medios de foto-detección muitlcanal. - receive and process, by means of processing means, data provided by said means of photo-detection muitlcanal and corresponding or associated to values that the signal! Luminous variable especially has in each of the channels of the photo-detection means muitlcanal.
A diferencia de ios métodos conocidos, ei propuesto por el segundo aspecto de la invención está previsto para ei análisis de señales luminosas pulsadas moduladas temporalmente según una frecuencia de excitación, fe y comprende controlar a dichos medios de deflexión para que operen sincronizadamente con dicha modulación temporal con una frecuencia de deflexión fd tal que:
Unlike the known methods, the one proposed by the second aspect of the invention is intended for the analysis of pulsed light signals temporarily modulated according to an excitation frequency, faith and comprises controlling said deflection means to operate synchronously with said temporary modulation with a frequency of deflection fd such that:
donde n es un numero natural distinto de cero. where n is a natural number other than zero.
Ei método propuesto por el segundo aspecto de la invención está adaptado para utilizar e! sistema del primer aspecto. The method proposed by the second aspect of the invention is adapted to use e! First aspect system.
Para un ejemplo de realización relativo a ¡a realización de medidas de correlación, ei método propuesto por el segundo aspecto de la invención comprende utilizar el sistema del primer aspecto de acuerdo con el ejemplo de realización explicado anteriormente asociado a la implemeníación de técnicas de análisis de estadística de emisión de fotones, para: For an exemplary embodiment related to the realization of correlation measures, the method proposed by the second aspect of the invention comprises using the system of the first aspect in accordance with the example of embodiment explained above associated with the implementation of analysis techniques of photon emission statistics, for:
- generar dos conjuntos de valores R y L. cada uno de ellos con los datos proporcionados por una respectiva sub-disposición ordenada de Xc elementos foto- detectores (píxeles) que contendrán como máximo n y al menos un pulso de luz; y
- calcular ia función de correlación de orden mediante la siguiente expresión:- generate two sets of R and L values, each with the data provided by a respective ordered sub-arrangement of Xc photodetector elements (pixels) that will contain at most n and at least one pulse of light; Y - calculate the order correlation function using the following expression:
Donde R y L representan los su bconju ritos de datos que contienen como máximo n medidas y ai menos una medida cada uno, correspondiente a la deflexión de como máximo n pulsos y ai menos un puiso a io largo del fotodetector de Xc píxeles. R¡L; corresponderá a la multiplicación de ios elementos i de cada subconjunto R y L, donde I variará entre 1 i n de forma consecutiva. Where R and L represent the data sets containing a maximum of n measurements and at least one measurement each, corresponding to the deflection of a maximum of n pulses and at least one fist along the photodetector of Xc pixels. R¡L; It will correspond to the multiplication of the elements i of each subset R and L, where I will vary between 1 and n consecutively.
Para una variante preferida de dicho ejemplo de realización, el método dei segundo aspecto de la invención comprende: For a preferred variant of said embodiment, the method of the second aspect of the invention comprises:
- realizar m adquisiciones de cada una de dichas sub-sefiales luminosas en cada una de dichas dos sub-disposiciones ordenadas de elementos foto-detectores; - make m acquisitions of each of said luminous sub-signals in each of said two ordered sub-arrangements of photo-detector elements;
- generar cada uno de dichos subconjuntos R y L y calcular con ellos la respectiva función de correlación para cada adquisición, calculándose en total m funciones de
- generate each of said subsets R and L and calculate with them the respective correlation function for each acquisition, calculating in total m functions of
correlación; y correlation; Y
- obtener un valor final de correlación calculando ei valor medio de los valores obtenidos con las m funciones de correlación. - obtain a final correlation value by calculating the average value of the values obtained with the m correlation functions.
Otros ejemplos de realización del método propuesto por el segundo aspecto de la invención comprenden la realización de medidas de fotoiuminscencia resuelta en tiempo o resuelta en tiempo y especialmente, según los ejemplos de realización explicados arriba con respecto al sistema propuesto por el primer aspecto de ¡a invención. Other examples of realization of the method proposed by the second aspect of the invention include the realization of measurements of photoiuminscence resolved in time or resolved in time and especially, according to the examples of embodiment explained above with respect to the system proposed by the first aspect of invention.
Un tercer aspecto de la presente invención concierne a un programa de ordenador que incluye instrucciones de código que cuando se ejecutan en un ordenador (o en cualquier otra clase de sistema computacionai) implementan el procesamiento de datos del método dei segundo aspecto de ia invención. A third aspect of the present invention concerns a computer program that includes code instructions that when executed on a computer (or any other kind of computer system) implement the data processing of the method of the second aspect of the invention.
Breve descripción de los dibujos Brief description of the drawings
Las anteriores y otras ventajas y características se comprenderán más plenamente a partir de la siguiente descripción detallada de unos ejemplos de realización con referencia a los dibujos adjuntos, que deben tomarse a título ilustrativo y no limitativo, en ¡os que:
La Fig. 1 es una representación esquemática de! sistema propuesto por eí primer aspecto de la invención , para un ejemplo de realización. The foregoing and other advantages and features will be more fully understood from the following detailed description of some embodiments with reference to the attached drawings, which should be taken by way of illustration and not limitation, in which: Fig. 1 is a schematic representation of! system proposed by the first aspect of the invention, for an exemplary embodiment.
La Fig . 2 muestra los resultados experimentales obtenidos mediante una adquisición estándar por los presentes inventores, usando un APD (detector monocanal) y una tarjeta TCSPC, sobre una muestra fotoiuminiscente, ilustrándose los resultados mediante sendas gráficas, mostrando la gráfica de la izquierda el espectro de fotoluminiscencia bajo excitación continua y ia de la derecha ios transitorios resueltos temporalmente para las bandas observadas A-E. Fig. 2 shows the experimental results obtained by means of a standard acquisition by the present inventors, using an APD (single channel detector) and a TCSPC card, on a photoiuminiscent sample, the results being illustrated by graphic paths, the graph on the left showing the low photoluminescence spectrum Continuous excitation and transient ios of the right temporarily resolved for the observed bands AE.
La Fig , 3 muestra el espectro registrado con la técnica de modulación espacía! implementada según la presente invención, para ía misma muestra utilizada en ía Figura 2 para ia banda de emisión etiquetada aiíT como B, para un ejemplo de realización del sistema del primer aspecto de la invención para el q ue los medios de deflexión comprenden un espejo hexagonal girando a 2 kHz y la muestra es excitada con un láser pulsado con frecuencia de repetición de 500 kHz. Fig. 3 shows the spectrum recorded with the space modulation technique! implemented according to the present invention, for the same sample used in Figure 2 for the emission band labeled aiíT as B, for an exemplary embodiment of the system of the first aspect of the invention for which the deflection means comprise a hexagonal mirror rotating at 2 kHz and the sample is excited with a pulsed laser with 500 kHz repetition frequency.
La Fig . 4 muestra, esquemáticamente, un ejemplo de realización dei sistema propuesto por el primer aspecto de la invención , para la medida de la fotoluminiscencia resuelta en tiempo, también denominado en adelante como esquema o diseño experimental A. Fig. 4 shows, schematically, an exemplary embodiment of the system proposed by the first aspect of the invention, for the measurement of photoluminescence resolved in time, also referred to hereinafter as an experimental scheme or design A.
La Fig. 5 muestra, esquemáticamente, otro ejemplo de realización dei sistema propuesto por ei primer aspecto de ia invención, en este caso aplicable a ía realización de medidas de correlación de fotones med iante con taje de coincidencias, también denominado en adelante como esquema o diseño experimental B. Fig. 5 shows, schematically, another embodiment of the system proposed by the first aspect of the invention, in this case applicable to the realization of correlation measures of photons by coincidence, also referred to hereinafter as scheme or experimental design B.
La Fig. 6 muestra, esquemáticamente, otro ejemplo de realización dei sistema propuesto por el primer aspecto de la invención, en este caso aplicable a ¡a realización combinada de medidas de la fotoluminiscencia resuelta en tiempo y resuelta especialmente, también denominado en adelante como esquema o diseño experimental C. En esta Figura, ni en las dos anteriores, no se han ilustrado ni los medios de procesamiento ni los de control de los medios de deflexión . Fig. 6 shows, schematically, another embodiment of the system proposed by the first aspect of the invention, in this case applicable to the combined realization of measurements of photoluminescence resolved in time and especially resolved, also referred to hereinafter as scheme or experimental design C. In this Figure, neither in the previous two, neither the processing nor the control means of the deflection means have been illustrated.
La Fig. 7 muestra el proceso de medida de la correlación de fotones en general usando el diseño experimental B de la Fig. 5.
La Fig . 8 muestra eí proceso de medida concreto de la correlación de fotones por medio del análisis de la función de correlación de segundo orden, que implica ia definición de los operadores 1 y 2 descritos en la Fig. 7, Fig. 7 shows the process of measuring photon correlation in general using the experimental design B of Fig. 5. Fig. 8 shows the process of concrete measurement of the photon correlation by means of the analysis of the second order correlation function, which implies the definition of the operators 1 and 2 described in Fig. 7,
La Fig . 9 muestra las funciones de probabilidad de la emisión de fotones para tres distribuciones concretas: distribución Bose-Einstein {gráfica (a)), distribución de Poisson (gráfica (b)) y distribución sub-Poisson (gráfica (c)). Fig. 9 shows the probability functions of photon emission for three concrete distributions: Bose-Einstein distribution {graph (a)), Poisson distribution (graph (b)) and sub-Poisson distribution (graph (c)).
La Fig . 1 0 muestra los resultados obtenidos mediante unas simulaciones realizadas con el sistema y método de la presente invención, usando eí análisis de la función de correlación de segundo orden descrito en las Figs. 7 y 8, usando como parámetro de entrada las funciones de probabilidad de a emisión de fotones descritas en la Fig. 9: mostrando tanto ei caso ideal sin pérdidas ni ruido (Fig. 10(a)), como el caso realista en ei que se incorpora el 50% de pérdidas del sistema y un ruido del 20% respecto a ia señal óptica (Fig . 1 0(b)). Fig. 10 shows the results obtained by means of simulations performed with the system and method of the present invention, using the analysis of the second order correlation function described in Figs. 7 and 8, using the photon emission probability functions described in Fig. 9 as input parameter : showing both the ideal case without losses or noise (Fig. 10 (a)), as the realistic case in which 50% of system losses and a noise of 20% with respect to the optical signal are incorporated (Fig. 1 0 (b)).
Descripción detallada de unos ejemplos de realización Detailed description of some embodiments
Mediante la presente Invención se presenta una nueva técnica de análisis de luz/fotones basada en ei muitiplexado espacial de una seña! óptica modulada temporalmente bajo ¡as condiciones anteriormente descritas, que seguidamente vuelven a describirse bajo las denominaciones de "Conversión tiempo - espacio" y "Sincronización estroboscópica". By means of the present invention, a new technique of light / photon analysis based on the spatial muitiplexing of a signal is presented! Temporarily modulated optics under the conditions described above, which are then described again under the terms "Time-space conversion" and "Strobe synchronization".
Para ello, los detectores APD usados típicamente en las técnicas de análisis de señales ópticas de baja intensidad se remplazan por un detector multicanai (caso de una CCD o de una disposición lineal de fotodiodos - en inglés PDA -) y un conversor tiempo- espacio. Los elementos básicos de esta técnica de medida pueden ser diseñados para ¡mpiementar distintas configuraciones de medición, lo cual presenta una versatilidad o medularidad del equipo. Estas configuraciones son : fotolumin iscencia resuelta en tiempo, medida de ia g¿(0) y simulación de cámara "streak". A continuación se exponen en detalle los principios de funcionamiento y las referidas condiciones 1 y 2 , as í como las distintas configuraciones de medida del sistema propuesto por e! primer aspecto de ia presente invención, para unos correspondientes ejemplos de realización. For this, APD detectors typically used in low intensity optical signal analysis techniques are replaced by a multicanai detector (in the case of a CCD or a linear array of photodiodes - in PDA English) - and a time-space converter. The basic elements of this measurement technique can be designed to implement different measurement configurations, which presents a versatility or centrality of the equipment. These configurations are: photoluminance iscence resolved in time, measurement of ia g ¿ (0) and camera simulation "streak". The operating principles and the aforementioned conditions 1 and 2, as well as the different measurement configurations of the system proposed by e! First aspect of the present invention, for corresponding embodiments.
Fundamentos básicos de ia tecnología:
Un láser en régimen pulsado excitando un sistema emisor de fotones (en procesos de fotoluminiscencia/fluorescencia) fuerza a éste a emitir con ia misma frecuencia de repetición, es decir fe. Esta condición permite eí control del periodo de la señal de interés. La técnica aqu í presentada se basa en un proceso de medida que cumple dos condiciones: 1 ) conversión tiempo-espacio y 2) "sincronización estroboscópico". Fundamentals of technology: A pulsed laser exciting a photon emitting system (in photoluminescence / fluorescence processes) forces it to emit with the same repetition frequency, that is, faith. This condition allows the control of the period of the signal of interest. The technique presented here is based on a measurement process that meets two conditions: 1) time-space conversion and 2) "strobe synchronization".
Estas dos condiciones resultan necesarias para obtener una adquisición óptica resuelta en tiempo con la técnica propuesta por la presente invención. Desde el punto de vista formal, ambas condiciones se pueden definir clasificando los procesos por medio de propiedades básicas de funciones. These two conditions are necessary to obtain an optical acquisition resolved in time with the technique proposed by the present invention. From the formal point of view, both conditions can be defined by classifying the processes by means of basic properties of functions.
Condición 1: Conversión tiempo - espacio. Condition 1: Conversion time - space.
La señal óptica resuelta en tiempo q ue se muestra en ia izquierda de la Fig . 7(a) se puede abstraer como un conjunto infinito de elementos, ios cuales representan la posición temporal eq uiespaeiada de cada pulso óptico. Por otra parte, el conversor tiempo-espacio allí ilustrado se puede identificar como una función general izada que asocia cada elemento de este primer conjunto con un elemento del conjunto de pixeíes de la CCD donde se realiza la adquisición CCD indicada. Es decir, la adquisición de los datos espaciales es resultado de la conversión de ics datos temporales por parte del conversor tiempo-espacio. Formalmente, se puede escribir: The time-resolved optical signal shown on the left of Fig. 7 (a) can be abstracted as an infinite set of elements, which represent the temporal position of each optical pulse. On the other hand, the time-space converter illustrated there can be identified as a general hoisted function that associates each element of this first set with an element of the CCD pixel set where the indicated CCD acquisition is performed. That is, the acquisition of spatial data is the result of the conversion of temporary data ics by the time-space converter. Formally, you can write:
Bajo esta notación, el conjunto T está caracterizado por un numero infinito de elementos equiespaciados, donde se cumple que donde TL = í/ft es ei
Under this notation, the set T is characterized by an infinite number of equispaced elements, where it is fulfilled that where T L = í / f t is ei
periodo de repetición de ia señal óptica pulsada . Por otra parte, el conjunto X está compuesto por un número finito de elementos, donde xc corresponde con ei número de píxeies de la CCD . Repeated period of the pulsed optical signal. On the other hand, the set X is composed of a finite number of elements, where x c corresponds to the number of pixels of the CCD.
La primera condición obliga a que fA sea una función sobreyectiva entre los conjuntos paraThe first condition requires that f A be an overjective function between the sets for
La segunda cond ición, sincronizado estroboscopíec, fija un raíio entero positivo entre ia frecuencia de la señal óptica pulsada modulada temporalmente
la frecuencia de modulación dei conversor tiempo-espacio
Llamando al factor la condición de
The second condition, synchronized strobe, sets a positive integer between the frequency of the temporarily modulated pulsed optical signal the frequency modulation of the time-to-space converter Calling the factor the condition of
sincronizado esíroboscópico Implica q ue n e N (números naturales) . Por otra parte, el factor n corresponderá con el número de pulsos fijados en la modulación espacial. Esta segunda condición modifica las características de la función fA anteriormente descrita, ya que para un x¡ determinado existirán infinitos
que cumplan En concreto, se cum plirá:Synchronized strobe It implies that N (natural numbers). On the other hand, the n factor will correspond to the number of pulses set in the spatial modulation. This second condition modifies the characteristics of the function f A described above, since for a given x there will be infinite In particular, it will be complied with:
Donde T representa el período de repetición de la modulación del conversor tiempo-
Where T represents the repetition period of the modulation of the time converter-
espacio. En concreto, ia función ./-; sufre la siguiente modificación en función del valor de n:
space. Specifically, the function ./-; undergoes the following modification based on the value of n:
La señal óptica únicamente podrá ser resuelta en el tiempo usando el "array" de detección (es decir ¡a disposición ordenada de fotodetecíores CCD) si se cumple ia anterior condición i). La condición ¡i) implica q ue el sistema no posee la suficiente capacidad de resolución temporal para discriminar la senal óptica pulsada, ya que el número de pulsos sincronizados estroboscópicamente es mayor que el numero de pixeies del array. El caso superior extremo de la condición /) será aquel que cumple Por tanto, la condición de sincronizado
The optical signal can only be resolved in time using the "array" of detection (that is, in an orderly arrangement of CCD photodetectors) if the previous condition i) is met. Condition ¡i) implies that the system does not have sufficient temporal resolution capability to discriminate the pulsed optical signal, since the number of strobe synchronized pulses is greater than the number of pixels in the array. The extreme top case of condition /) will be the one that meets the synchronized condition.
esíroboscópico se puede resumir con:
Strobe can be summarized with:
Generalización: Generalization:
Con objeto de reagrupar las condiciones 1 y 2 bajo un único criterio, se puede realizar una relación de equivalencia en el conjunto T. Para ello, el conjunto infinito T se divide en n subconjuníos, cuyos elementos serán equivalentes entre sí en la nueva transformación. De esta forma la dimensión dei nuevo conjunto T' será finita, con cardinal n. La relación de equivalencia propuesta es:
In order to regroup conditions 1 and 2 under a single criterion, an equivalence relationship can be made in the set T. For this, the infinite set T is divided into n sub-subsets, whose elements will be equivalent to each other in the new transformation. In this way the dimension of the new set T 'will be finite, with cardinal n. The proposed equivalence ratio is:
□e forma que la nueva función fB se definirá entre ios conjuntos T y X como: □ e so that the new function f B will be defined between the sets T and X as:
Bajo esta notación, el efecto de ía conversión temporai-espaciai y del sincronizado estroboscópico, se resumen bajo ías características de ía función
Under this notation, the effect of temporai-space conversion and strobe synchronization is summarized under the characteristics of the function.
Condición 1 Λ Condición es una función inyectiva creciente, y lineal
Condition 1 Λ Condition is a growing and linear injective function
Se aprecia que en ei caso de q ue no se cumpla ia condición 2, fB no cumple la condición de función, ya que existirán distintas valores de x¡ asociados a un único valor de
Mientras que cuando se cumpla ia condición será una función inyectiva, y solo será una función
It is appreciated that in the case that condition 2 is not fulfilled, f B does not meet the function condition, since there will be different values of x¡ associated with a single value of While when the condition is met it will be an injective function, and it will only be a function
sobreyectiva cuandooverjective when
Este tipo de función relaciona una variable temporal (el instante de cada uno de los pulsos ópticos) con una variable espacial (ia posición/pixel de un detector multicanal). Por tanto, ia ventaja básica proviene de eliminar ía variable tiempo en el estudio dinámico de una señal óptica. De esta forma, ¡a resolución temporal del sistema se asocia con la resolución espacia! del sistema completo, y no con la resolución temporal de detección. El parámetro tiempo, en este caso , únicamente se asocia con el tiempo de integración de la adquisición, usado para mejorar el contraste entre señal y ruido. This type of function relates a temporal variable (the instant of each of the optical pulses) with a spatial variable (the position / pixel of a multichannel detector). Therefore, the basic advantage comes from eliminating the variable time in the dynamic study of an optical signal. In this way, the temporal resolution of the system is associated with the spatial resolution! of the complete system, and not with the temporal resolution of detection. The time parameter, in this case, is only associated with the acquisition integration time, used to improve the contrast between signal and noise.
Diseño de ¡a técnica experimental: Design of the experimental technique:
En la Fig. 1 se ha ilustrado de manera esquemática al sistema propuesto por el primer aspecto de la invención, para un ejemplo de realización para ei que ios medios de conversión comprenden unos medios de deflexión (3) y unos medios de control (6) que configuran los medios de deflexión enviándoles una señal de control (CTRL), q ue puede ser de muy diversa índole (tensión acústica, corriente eléctrica, etc. ), en función del tipo de
elemento de deflexión. En este caso, ei elementa de deflexión ilustrado actúa por transmisión. Es decir, deja pasar a su través la señal luminosa pulsada modulada temporalmente (Sr), variando su índice de refracción con ei fin de redirigir las distintas porciones temporales de ¡a señal {según un ángulo α proporcional ai valor de la señal de control CTRL), en la forma de señal Or, hacia unos correspondientes fotodetectores que configuran los distintos canales de los medios de detección multlcanai (4) (q ue en general serán los pi'xeles de una matriz CCD). Finalmente, ia información recibida se analiza por los medios de procesamiento (5). In Fig. 1 the system proposed by the first aspect of the invention has been schematically illustrated, for an exemplary embodiment for which the conversion means comprise deflection means (3) and control means (6) that configure the deflection means by sending a control signal (CTRL), which can be of a very diverse nature (acoustic voltage, electric current, etc.), depending on the type of deflection element. In this case, the illustrated deflection element acts by transmission. That is to say, it lets through the temporarily modulated pulsed light signal (Sr), varying its refractive index in order to redirect the different temporal portions of the signal {according to an angle α proportional to the value of the CTRL control signal ), in the form of signal Or, to corresponding photodetectors that configure different channels multlcanai detection means (4) (q ue generally be the 'xeles a CCD array) pi. Finally, the information received is analyzed by the processing means (5).
Los medios de control (8) son los encargados de q ue ¡os medios de deflexión (3) operen con una frecuencia de deflexión (fd) que cumpla la anteriormente descrita "sincronización estroboscópica", mediante ia generación y envió de una señal de control (CTRL) adecuada para tal fin. The control means (8) are responsible for the deflection means (3) operating with a deflection frequency (fd) that complies with the previously described "strobe synchronization", by generating and sending a control signal (CTRL) suitable for this purpose.
La utilización de un dispositivo de conversión tiempo-espacio bajo la condición de sincronizado estroboscópico permite construir distintos esquemas experimentales del sistema propuesto por el primer aspecto de ia invención, que ofrecen distintas capacidades de análisis de la iuz modulada temporalmente, por medio de sistemas de detección multlcanai. A continuación se citan y describen (de manera no exhaustiva) una serie de posibles elementos de deflexión q ue pueden funcionar como medios de deflexión (3) de ios medios o dispositivo de conversión tiempo-espacio, así como una serie de esquemas experimentales propuestos para diferentes ejemplos de realización dei sistema de ia presente invención. The use of a time-to-space conversion device under the condition of strobe synchronization allows different experimental schemes of the system proposed by the first aspect of the invention to be constructed, offering different analysis capabilities of the temporarily modulated light, by means of detection systems multlcanai. A series of possible deflection elements that can function as deflection means (3) of the means or time-space conversion device, as well as a series of experimental schemes proposed for different embodiments of the system of the present invention.
Ejemplos de dispositivos de deflexión: Examples of deflection devices:
Espejos rotatorios: Un espejo rotatorio sobre un eje es el sistema más sencillo para generar una conversión tiempo-espacio. En este caso ia conversión se realiza mediante una conversión tiempo-ángulo, que, a una determinada distancia dei espejo, en un detector multlcanai se convierte en conversión tlempo-plxei . Mediante una calibración , ei pixel en el detector muiticanai puede adquirir las dimensiones de tiempo. Este tipo de espejos permite realizar una multiplicación de ¡a frecuencia de giro a través de una multiplicación de las caras reflectantes. Por ejemplo , un espejo hexagonal generará una frecuencia de conversión tiempo espacio seis veces mayor que ia frecuencia de giro dei hexágono. Además presentan varias ventajas destacables. La velocidad de giro se puede mantener constante con una precisión alta, por lo q ue ¡a dispersión de la luz para cada ángulo es linea!, Por otra parte la
tecnolog ía para construir este tipo de espejos es muy barata, por lo que reduce considerablemente los costes de un equipo de análisis temporal de ia iuz. Rotating mirrors: A rotating mirror on an axis is the simplest system to generate a time-space conversion. In this case, the conversion is carried out by means of a time-angle conversion, which, at a certain distance from the mirror, in a multlcanai detector becomes a tlempo-plxei conversion. By means of a calibration, the pixel in the muiticanai detector can acquire the time dimensions. This type of mirrors allows multiplication of the frequency of rotation through a multiplication of the reflective faces. For example, a hexagonal mirror will generate a conversion time space time six times greater than the rotation frequency of the hexagon. They also have several outstanding advantages. The speed of rotation can be kept constant with high precision, so that the scattering of light for each angle is line! On the other hand the Technology to build this type of mirrors is very cheap, so it considerably reduces the costs of a ia iuz temporary analysis team.
Espejos gaivanométricos'. Otra opción para construir el conversor tiempo - espacio es usar espejos gaivanométricos. Este tipo de espejo no genera un giro completo como en ei caso anterior, sino una oscilación moduiabie en amplitud y frecuencia. Con este dispositivo las frecuencias de oscilación son algo más bajas que en el caso de ios espejos rotantes y, por otra parte, el ángulo de deflexión no tiene una correspondencia iineai. Gaivanometric mirrors ' . Another option to build the time - space converter is to use gaivanometric mirrors. This type of mirror does not generate a complete turn as in the previous case, but a modular oscillation in amplitude and frequency. With this device the oscillation frequencies are somewhat lower than in the case of the rotating mirrors and, on the other hand, the angle of deflection does not have an iineai correspondence.
Sistemas Microelectromecánicos (MEMS): Otra de las opciones es usar sistemas mas complejos microeiecíromecánicos, que permiten una mayor flexibilidad en ei controi de la señal óptica, aunque a expensas de encarecer considerablemente ei coste del dispositivo. En esta categoría pueden encontrarse sistemas que están impiementados para trabajar con fibra óptica, como también sistemas que trabajan en óptica libre. Microelectromechanical Systems (MEMS): Another option is to use more complex microeierometric systems, which allow greater flexibility in the control of the optical signal, although at the expense of considerably increasing the cost of the device. In this category you can find systems that are impiemented to work with fiber optics, as well as systems that work in free optics.
Otros posibles elementos de deflexión que ¡mpiementen los medios de deflexión del conversor tiempo-espacio de! sistema propuesto por el primer aspecto de ia presente invención son, por ejemplo, ios defiectores aeusto-ópticos/'eiectro-ópticos por transmisión o ¡os resonadores de micro-anillos. Other possible deflection elements that clean the deflection means of the time-space converter from! proposed by the first aspect of the present invention system are, for example, defiectores ios aeusto-optical / 'eiectro-optical transmission or by os resonators micro-rings.
Esquemas de montajes experimentales: Schemes of experimental assemblies:
Los presentes inventores han realizado una serie de montajes experimentales del sistema propuesto por el primer aspecto de ia presente Invención, para realizar distintas medidas de fotoluminiscencia, o en general de seriales ópticas (luminosas) pulsadas moduladas temporalmente. The present inventors have carried out a series of experimental assemblies of the system proposed by the first aspect of the present invention, to carry out different photoluminescence measurements, or in general of temporarily modulated pulsed optical (luminous) serials.
A continuación se indican tres de tales montajes o esquemas experimentales que ofrecen la posibilidad de obtener tres análisis diferenciados de una señal óptica pulsada. En ios tres esquemas se ha utilizado como elemento de deflexión un espejo rotatorio (3) que gira alrededor de un eje vertical (El ). Below are three such assemblies or experimental schemes that offer the possibility of obtaining three differentiated analyzes of a pulsed optical signal. In the three schemes, a rotating mirror (3) that rotates around a vertical axis (El) has been used as a deflection element.
A) Esquema básico: Medida de ¡a fotoluminiscencia resuelta en tiempo. A) Basic scheme: Measurement of the photoluminescence resolved in time.
Este caso representa la construcción más simple que se puede diseñar con la nueva técnica propuesta por la presente invención. La Fig. 4 muestra el esquema experimental
correspondiente. Para excitar al sistema emisor se usa un láser pulsado ( 1 ), que emite una señal de excitación (Se) que ai llegar a ia muestra (2) genera una señal óptica resuelta en el tiempo (Sr). La señal Sr atraviesa un elemento de transmisión (Am) (que en este caso no altera ia señal) y se dirige ai elemento de deflexión (3) del conversor tiempo-espacio, desviándoia éste de forma dinámica y bajo criterio de sincronizado esíroboscópico (mediante unos medios de control no ilustrados), en ia forma de señas modulada espaciaimente (Or) y dirigida y focalizada sobre ei detector muiticanai (4). La focaiizaeión se realiza mediante una lente (no ilustrada) que puede disponerse antes o después del elemento de deflexión (3). De esta forma , el transitorio de ¡a señal óptica Sr se puede obtener realizando una adq uisición espacial en dicho detector muiticanai (4), integrando el tiempo necesario. This case represents the simplest construction that can be designed with the new technique proposed by the present invention. Fig. 4 shows the experimental scheme correspondent. To excite the emitting system, a pulsed laser (1) is used, which emits an excitation signal (Se) which, upon reaching the sample (2), generates a time-resolved optical signal (Sr). The signal Sr crosses a transmission element (Am) (which in this case does not alter the signal) and is directed to the deflection element (3) of the time-to-space converter, dynamically deflecting it and under the criterion of strobe synchronization (by control means not illustrated), in the form of spatially modulated sign (Or) and directed and focused on the muiticanai detector (4). The focaiizaeión is carried out by means of a lens (not illustrated) that can be arranged before or after the deflection element (3). In this way, the transient of the optical signal Sr can be obtained by making a spatial acquisition in said muiticanai detector (4), integrating the necessary time.
B) Esquema contaje de coincidencias: Medida de ia g2(0) de un sistema emisor de fotones uno a uno. B) Match counting scheme: Measure of ia g 2 (0) of a one-to-one photon emitting system.
El anterior diseño experimental proporcionaba un montaje para ei análisis temporal de la fotoluminiscencia de un emisor óptico» independientemente de ia naturaleza estad ística de ia luz emitida. Para e! caso particular de señales generadas mediante emisores cuánticos, como podría ser ¡a luz proveniente de un punto cuántico o una molécula aislada, cada uno de estos pulsos ópticos estaría formado por un solo fotón. La técnica convencional HBT se usa para analizar las fiuctuaciones de ia intensidad de la luz emitida , y así poder discriminar ia tipoiog ia de ia estadística de emisión de fotones por un sistema dado. Utilizando ias características del conversor tiempo-espacio se puede reaiizar un montaje alternativo al HBT típico para determinar el valor de la función de correlación de seg undo orden. El esquema básico es similar al caso anterior, con ia única diferencia de que en el elemento transmisor del montaje (Am en Fig . 4) se ha añadido un aivisor de haz (Bm) q ue divide la seña! Sr en dos sub-señales Sr1 y Sr2. A ia señal Sr1 se ie aplica un retardo respecto a la señal Sr2 por medio de un generador de retardo sintonizable (Br), generando la seña! Sr1 t. En ia Fig . 5 se muestra ei diseño sugerido para realizar mediciones de ia función de correlación de segundo orden. The previous experimental design provided an assembly for the temporal analysis of the photoluminescence of an optical emitter » regardless of the statistical nature of the emitted light. For e! In the particular case of signals generated by quantum emitters, such as light from a quantum dot or an isolated molecule, each of these optical pulses would consist of a single photon. The conventional HBT technique is used to analyze the fiuctuations of the intensity of the emitted light, and thus be able to discriminate the type of statistical emission of photons by a given system. Using the characteristics of the time-space converter, an alternative assembly to the typical HBT can be performed to determine the value of the second order correlation function. The basic scheme is similar to the previous case, with the only difference that in the transmitting element of the assembly (Am in Fig. 4) a beam splitter (Bm) has been added which divides the signal! Sr in two sub-signals Sr1 and Sr2. To the signal Sr1 a delay is applied with respect to the signal Sr2 by means of a tunable delay generator (Br), generating the signal! Sr1 t. In Fig. 5 The suggested design for measuring the second-order correlation function is shown.
Como se observa en ia Fig . 5, todos ios elementos de 1 a 4 son equivalentes a los del esquema de ia Fig . 4. En este caso, el montaje B únicamente añade el divisor de haz ( Bm) y el retardador (Br) en uno de los caminos ópticos. De esta forma, ¡a señal óptica (Sr) que llega ai elemento de deflexión de! conversor tiempo-espacio, es decir el espejo (3), q ueda dividida en dos puntos, la correspondiente al cana! L y a! canal R, asociadas a ¡a
propagación de ia señal óptica (Sr) por cada uno de los brazos de! divisor de haz (Bm). Es decir, correspondientes a ias sub-séfi'aies Sr1t y a Sr2, ias cuales inciden sobre el espejo (3) en dos respectivos puntos distanciados a lo largo dei eje E1 . Por tanto, se producen dos deflexiones, una para cada canal. En este caso, el detector muiticanai (4) debe ser un detector 2D en forma de matriz, corno una CCD convencional, ya que ia deflexión de cada una de ias sub-señales Sr1 t y Sr2 moduiadas temporalmente se traducirán como dos señales moduiadas espaciaimente Orí í y Qr2, cada una de ellas deflectadas y focalizadas sobre una respectiva fiia de ia CCD 4. Dei análisis de la adquisición en cada cana! se puede obtener una medida experimental de ias coincidencias de fotones para un retraso temporal ajustable entre canal 1 y 2. As seen in Fig. 5, all elements 1 to 4 are equivalent to those in the scheme in Fig. 4. In this case, assembly B only adds the beam splitter (Bm) and the retarder (Br) in one of the optical paths. In this way, the optical signal (Sr) that reaches the deflection element of! time-space converter, that is to say the mirror (3), which is divided into two points, the one corresponding to the cane! L already! R channel, associated to ¡a propagation of the optical signal (Sr) through each of the arms of! beam splitter (Bm). That is, corresponding to the sub-sefi ' aies Sr1t and Sr2, which affect the mirror (3) at two respective points spaced along the axis E1. Therefore, two deflections occur, one for each channel. In this case, the muiticanai detector (4) must be a 2D matrix-shaped detector, like a conventional CCD, since the deflection of each of the temporarily modulated Sr1 and Sr2 sub-signals will be translated as two spatially modulated signals Orí í and Qr2, each of them deflected and focused on a respective CIA 4 company. Dei analysis of the acquisition in each channel! An experimental measurement of the photon matches can be obtained for an adjustable time delay between channel 1 and 2.
C) Esquema combinado tiempo y longitud de onda: modo simulación cámara "Streak". C) Combined scheme time and wavelength: "Streak" camera simulation mode.
Las cámaras "Streak" funcionan realizando una conversión de iuz a electrones, modulando estos eiecírones con campo eléctrico, para, finalmente, reconvertir estos eiectrones a luz y ser detectada por una CCD. Además, ia luz incidente queda dispersada en iambda por un monocrcmador, de forma que ¡os dos ejes finales devuelven la relación entre tiempo y longitud de onda. Este ultimo diseño, ilustrado en la Fig. 8, ofrece construir un sistema experimental que simula el funcionamiento de una cámara "Streak", sin realizar ninguna conversión iuz-electrones, por medio del efecto combinado de un monocrcmador y el conversar tiempo-espacio. Las ventajas del uso de ias cámaras "Streak" provienen de ia alta resolución temporal obtenida con este tipo de medida experimental. Sin embargo, el presente diseño puede resultar útil en aquestas medidas que no precisen de una alta resolución temporal, ofreciendo, por otra parte, un equipo mucho más económico y robusto. Como en el caso anterior, este diseño experimental comparte todos los elementos numerados del 1 ai 4 en las Figs. 4 y 5. La única variante corresponde al módulo Cm, donde se ha añadido un elemento difraciivo en iambda (red de difracción). La difracción de ia iuz incidente se realiza en la dirección paralela ai eje de dispersión del elemento de deflexión del conversor tiempo-espacio, es decir del espejo (3). De esta forma, la señal Sr se dispersa según un eje Y conformando una señal que incluye una pluralidad sub-señales luminosas Srd 1 ... Srdn con diferentes longitudes de onda, ias cuales inciden en unas respectivas regiones diferenciadas ciei espejo (3), que las envía a unas respectivas agrupaciones de canales del detector muiticanai (4) ordenadas según un eje Y, ya en la forma de sub-señales Ordl .. . Ordn. Es decir que, la señal dispersada que llega al detector muiticanai (4) posee dos ejes, correspondiente a tiempo (por eje horizontal en Fig . 6) y longitud de onda (por eje vertical en Fig. 6).
Aunque en las Figs, 4, 5 y 6 se ha ilustrado un espejo rotatorio con una sola cara reflectante, en este caso plana, ventajosamente éste comprende más de una cara reflectante, tal como es el caso de un espejo hexagonal, en este caso dispuesto de manera que las seis caras reflectantes del mismo queden parafeias y equidistantes al eje de giro El , eí cual, como ya se ha indicado anteriormente, generará una frecuencia de conversión tiempo-espacio seis veces mayor que la frecuencia de giro del hexágono. Tanto cuando el elemento defiector (3) es un espejo de una cara como cuando lo es de varias caras reflectantes, éste girará en un sentido único, alrededor de El , con una frecuencia acorde a la condición de sincronización estroboscópica Elementos deflectores con un número diferente de caras reflectantes, planas o no, y/o con geometrías diferentes a las descritas también son posibles, para otros ejemplos de realización. The "Streak" cameras work by converting iuz to electrons, modulating these eiecírones with electric field, to finally convert these eiectrons to light and be detected by a CCD. In addition, the incident light is scattered in iambda by a monocrcmador, so that the two final axes return the relationship between time and wavelength. This last design, illustrated in Fig. 8, offers to build an experimental system that simulates the operation of a "Streak" camera, without performing any iuz-electron conversion, by means of the combined effect of a monocrcmator and time-space conversation. The advantages of using the "Streak" cameras come from the high temporal resolution obtained with this type of experimental measurement. However, the present design can be useful in those measures that do not require a high temporal resolution, offering, on the other hand, a much more economical and robust equipment. As in the previous case, this experimental design shares all the numbered elements from 1 to 4 in Figs. 4 and 5. The only variant corresponds to the Cm module, where a diffraction element in iambda (diffraction network) has been added. The diffraction of the incident iuz is carried out in the direction parallel to the axis of dispersion of the deflection element of the time-space converter, that is to say of the mirror (3). In this way, the signal Sr is dispersed along a Y axis, forming a signal that includes a plurality of light sub-signals Srd 1 ... Srdn with different wavelengths, which affect different respective regions of the mirror (3), which sends them to respective groups of muiticanai detector channels (4) arranged according to a Y axis, already in the form of Ordl sub-signals. Ordn. That is to say, the scattered signal that reaches the muiticanai detector (4) has two axes, corresponding to time (by horizontal axis in Fig. 6) and wavelength (by vertical axis in Fig. 6). Although a rotating mirror with a single reflective face has been illustrated in Figs, 4, 5 and 6, in this flat case, it advantageously comprises more than one reflective face, such as a hexagonal mirror, in this case arranged so that the six reflective faces thereof remain parapheid and equidistant from the axis of rotation El, and which, as already indicated above, will generate a time-space conversion frequency six times greater than the rotation frequency of the hexagon. Both when the deflector element (3) is a mirror of one face and when it is of several reflective faces, it will rotate in a unique direction, around it, with a frequency according to the condition of strobe synchronization Deflector elements with a different number Reflective faces, flat or not, and / or with different geometries than those described are also possible, for other embodiments.
Análisis y simulación de las medidas experimentales: Analysis and simulation of experimental measures:
A continuación se van a describir en detalle los procesos de medida experimental de ¡a fotoiuminiscencia de un emisor dado mediante el diseño A de la Fig. 4 y de ¡a función de correiación de segundo orden mediante el diseño B de la Fig. 5. In the following, the experimental measurement processes of the photoniniscence of a given emitter will be described in detail by means of design A of Fig. 4 and of a second order correlation function by design B of Fig. 5.
- Técnica de fotoluminiscencia resuelta en tiempo. - Photoluminescence technique resolved in time.
Esta técnica se ha implementado de forma experimental en eí laboratorio de los presentes Inventores, usando: This technique has been implemented experimentally in the laboratory of the present Inventors, using:
1 ) Un láser de excitación pulsado. 1) A pulsed excitation laser.
2) Una muestra semiconductora sobre la que se nace incidir el láser y que genera fctaiuminiscencia. 2) A semiconductor sample on which the laser is born to impinge and that generates fctaiuminiscence.
3) Un modulador espacial consistente en un espejo hexagonal montado sobre un motor CC que se hace girar a una frecuencia dada con objeto que este giro quede sincronizado con la veiocidad de repetición del láser pulsado. 3) A spatial modulator consisting of a hexagonal mirror mounted on a DC motor that is rotated at a given frequency so that this rotation is synchronized with the repetition rate of the pulsed laser.
4} Una CCD de Silicio de 1024x128 pixeies. 4} A 1024x128 pixel silicon CCD.
Los resultados obtenidos mediante una adquisición estándar en laboratorio, esto es, usando un APD (detector monocanai) y una tarjeta TCSPC, se muestran en la Fig. 2. A la izquierda de la Fig. 2 se muestra mediante una gráfica identificada como FLRT APD (donde FLRT son ia siglas de Fotoluminiscencia Resuelta en Tiempo, del Inglés TRPL (Time Resolved Fhotaíuminescence)), el espectro de fotoluminiscencia de la muestra bajo estudio (en
unidades arbitrarias logarítmicas ), que exhibe varias bandas de emisión etiq uetadas desde la A hasta la E, para las que se han adquirido los espectros de fotoluminiscencia ilustrados en ia vista derecha de ía Fig . 2. La banda etiquetada como B en ia vista derecha de la Fig. 2 tiene un tiempo característico de unos 1 00 ns y es la que se ha elegido para realizar el experimento con la técnica propuesta por la presente invención, el cual ha ofrecido como resuitado el transitorio de fotoluminiscencia q ue se muestra en ía Fig. 3, en la cual dicho transitorio se ilustra mediante la curva marcada con una serie de pequeños circuios, siendo la otra cu rva (la dibujada simplemente con una l ínea fina) ia correspondiente a la señal pulsada de excitación de la m uestra. E! mencionado espectro ha sido adquirido con el modulador espacial funcionando a 2 kHz y el láser de excitación a una frecuencia de repetición de 500 kHz. El periodo de repetición de este láser pulsado, 2 μs, puede aprovecharse para calibrar la escala temporal en la CCD (¡o que ya se ha hecho en ia F¡g. 3), y permite obtener un tiempo de recombinacidn idéntico ai medido con la técnica convencional quedando asi validado el sistema y método propuestos por ia presente invención debido a ¡os sig uientes aspectos observados en la Fig. 3: The results obtained through a standard acquisition in the laboratory, that is, using an APD (monocanai detector) and a TCSPC card, are shown in Fig. 2. On the left of Fig. 2 it is shown by a graph identified as FLRT APD (where FLRT stands for the Time Resolved Photoluminescence of the English TRPL (Time Resolved Fhotaíuminescence)), the photoluminescence spectrum of the sample under study (in logarithmic arbitrary units), which displays several emission bands etiq uetadas from A to E, for which the photoluminescence spectra illustrated in the right view of Fig. 2. The band labeled B in the right view of Fig. 2 has a characteristic time of about 1 00 ns and is the one chosen to carry out the experiment with the technique proposed by the present invention, which has been offered as after the photoluminescence transient shown in Fig. 3 has been resuscitated, in which said transient is illustrated by the curve marked with a series of small circuits, the other cuvava (the one drawn simply with a thin line) corresponding to the pulsed excitation signal of the sample. AND! This spectrum has been acquired with the space modulator operating at 2 kHz and the excitation laser at a repetition frequency of 500 kHz. The repetition period of this pulsed laser, 2 μs, can be used to calibrate the time scale in the CCD (or that has already been done in ia Fig. 3), and allows to obtain an identical recombination time as measured with The conventional technique thus validating the system and method proposed by the present invention due to the following aspects observed in Fig. 3:
1 ) Los picos de ambas curvas coinciden y la distancia entre los picos marcan el periodo de repetición, que es de 2 us en ambos casos, lo cual valida que el sistema se comporta de manera similar en ios periodos de repetición. 1) The peaks of both curves coincide and the distance between the peaks mark the repetition period, which is 2 us in both cases, which validates that the system behaves similarly in the repetition periods.
2) La diferencia entre las dos curvas al añadir la muestra e incluir un filtro pasabanda (curva de línea con círculos) respecto a la señal sin excitar ia muestra y sin incluir el filtro (curva de línea fina), es decir correspondiente a la señal de excitación, es ia pendiente de caída del pico , q ue es ía respuesta con el tiempo de la fotoluminiscencia.. De ia pendiente de la caída se obtiene toda la Información referente a los tiempos de ciada y de vida de ¡a fotoluminiscencia emitida por la muestra. 2) The difference between the two curves when adding the sample and including a bandpass filter (line curve with circles) with respect to the signal without exciting the sample and not including the filter (thin line curve), that is, corresponding to the signal of excitation, is the slope of the peak fall, which is the response with the time of the photoluminescence. From the slope of the fall, all the information regarding the times of life and life of the photoluminescence emitted by the sample.
Para el experimento cuyos resultados se muestran en la Fig . 3 se ha utilizado una muestra de punios cuánticos , cuyo estudio previo ha permitido conocer sus características de luminiscencia en función del tiempo. La muestra se ha utilizado a modo de patrón que se ha calibrado por otros sistemas. La medición de ia respuesta de luminiscencia en tiempo de ¡a muestra que se ha realizado con el sistema de ia presente invención es acorde con ia obtenida con otros sistemas. Por eiio, se puede considerar que el sistema propuesto por el
primer aspecto de la invención es capaz de realizar medidas resueltas en tiempo de manera fiable. For the experiment whose results are shown in Fig. 3 A sample of quantum punis has been used, whose previous study has allowed us to know its luminescence characteristics as a function of time. The sample has been used as a standard that has been calibrated by other systems. The measurement of the luminescence response in time of the sample that has been performed with the system of the present invention is consistent with that obtained with other systems. For this reason, the system proposed by the The first aspect of the invention is capable of reliably resolving measurements in time.
- Técnica de correlación de fotones con 2-canaies. - Photon correlation technique with 2-canaies.
Este tipo de análisis experimental resulta mucho más crítico que e! anterior, ya que la técnica trata de realizar una medida directa de ja estad ística de emisión de fotones. La Fig. 7 muestra el proceso de med ida de la correlación de fotones usando el diseño experimental B, es decir e! de la Fig . 5. La señal óptica (Sr), como se ha descrito anteriormente, queda dividida en dos canales mediante un divisor de haz ( Bm) y un elemento retardador (Br). Cada adq uisición del detector mullicaría! (4) genera un conjunto de pulsos definidos por el factor n. La detección del canal L y R se realiza medíante la detección sobre dos filas de p íxeles de ¡a CCD. Ai canal R se le ha añadido un retardo temporal sintonizable respecto al canal L. La figura 7(b) ejemplifica el caso para un retardo de + 1 pulso (+1 casilla en la figura como simplificación). Esto es, un desplazamiento del tren de pulsos en un periodo en sentido positivo, respecto al canal L, siendo eí subconjunto L, etiq uetado como "izquierda", e! obtenido para la sub-señaí Sr2 (ver Fig . 5), y el subconjunto R, etiquetado como "Derecha", el obtenido para la sub-sefiai Sr1 t. This type of experimental analysis is much more critical than e! previous, since the technique tries to make a direct measurement of the statistical emission of photons. Fig. 7 shows the process of measuring photon correlation using experimental design B, ie e! of Fig. 5. The optical signal (Sr), as described above, is divided into two channels by a beam splitter (Bm) and a retarding element (Br). Each adq uisition of the detector would multiply! (4) generates a set of pulses defined by the n factor. The detection of the L and R channel is performed by detection on two rows of pixels from ¡to CCD. A tunable time delay with respect to the L channel has been added to the R channel. Figure 7 (b) exemplifies the case for a + 1 pulse delay (+1 box in the figure as simplification). That is, a displacement of the pulse train in a period in a positive sense, with respect to the L channel, being subset L, labeled as "left", e! obtained for the sub-signal Sr2 (see Fig. 5), and the subset R, labeled "Right", the one obtained for the sub-sefiai Sr1 t.
Para un retardo - 0, los pulsos en ambas detecciones coincidirían, y para un retardo = ± d, ambas detecciones estarían desplazadas por un número de pulsos igual a ± d . Una vez obtenidos ios subconjuntos L y R , se procede a! análisis posterior de la medida. For a delay - 0, the pulses in both detections would coincide, and for a delay = ± d, both detections would be displaced by a number of pulses equal to ± d. Once the subsets L and R are obtained, proceed to! subsequent analysis of the measure.
El análisis de la med ida comprende dos etapas de operación (Operl y Oper2) que actúan sobre ios subconjuntos L y R y ios derivados de eiios. La Fig . 7(b) muestra el proceso de medida para una adquisición. Operl actúa sobre los elementos de Sos conjuntos L y R término a iérmino, generando otro conjunto C. Posteriormente, Oper2 actúa sobre los propios elementos del conjunto C, obteniendo un valor escalar en función del retardo elegido (Adq = Adq {retardo} ). La Fig . 7(c) muestra el proceso de medida para m adq uisiciones. El proceso es el mismo, pero se obtendrá dos subconjuntos L y R para cada adq uisición (etiquetada como i en ¡a figura). En el caso de m adquisiciones, ios operadores Operl y Oper2 actúan de la misma forma q ue en el caso de una sola adquisición , pero eí proceso se realizará rn veces, Finalmente se obtendrá un valor medio de Oper2 que será también función de! retardo concreto usado en la medica De esta forma se
The halfway analysis comprises two stages of operation (Operl and Oper2) that act on the subsets L and R and the derivatives of eiios. Fig. 7 (b) shows the measurement process for an acquisition. Operl acts on the elements of joint sets L and R term at term, generating another set C. Subsequently, Oper2 acts on the own elements of set C, obtaining a scalar value based on the chosen delay (Adq = Adq {delay}). Fig. 7 (c) shows the measurement process for m adq uisitions. The process is the same, but you will get two subsets L and R for each adq uisition (labeled as i in figure). In the case of m acquisitions, the Operl and Oper2 operators act in the same way as in the case of a single acquisition, but the process will be carried out several times. Finally, an average value of Oper2 will be obtained, which will also be a function of! concrete delay used in the medica
obtendrá un valor especifico para cada conjunto de m adquisiciones..
Para definir la medida concreta de la función de correlación de segundo orden basta con definir ios operadores 1 y 2 de la anterior descripción. La Fig. 8 muestra este caso concreto, La señal óptica a analizar es pulsada y contendrá un determinado conjunto de fotones en cada pulso (i en la Fig, 8(a)). El número de fotones por pulso estará sujeto a la estadística del emisor (Poisson, antiagrupada o sub-Poisson, definidas en !a Fig. 9). Esta señal Óptica se dividirá en dos haces a través de un separador de haz (BS: "Beam Spíitter") 50/50, forzando a cada fotón a tomar el camino L o el camino R. En este proceso se generarán, por tanto, dos nuevas señales {i¡ en la Fig. 8(a)), Además, en el camino R se ha añadido un retardo temporal sintonizabie. Ambos haces definidos en L y R se hacen incidir por separado y de forma controlada sobre el conversar tiempo-espacio, en particular sobre el eíemento de deflexión dei mismo ((3) en Fig, 5), por ¡o que se dirigirán a dos filas distintas de la CCD, indicadas como fila L y fila R en la Fig. 8(a). Los puisos en cada haz de luz serán detectados por píxeles equiespaciados (a través de la sincronización impuesta por ei defiector de haz, como se explicó anteriormente) y divididos por dos filas de ¡a CCD, que recogerán pues ios haces L y R. De esta manera, en cada adquisición se obtienen dos subconjunlos de datos U donde j da cuenta de ¡a medida realizada (j = 1 ... m). En la figura
you will get a specific value for each set of m acquisitions .. To define the specific measure of the second order correlation function, it is sufficient to define the operators 1 and 2 of the previous description. Fig. 8 shows this specific case. The optical signal to be analyzed is pulsed and will contain a certain set of photons in each pulse (i in Fig. 8 (a)). The number of photons per pulse will be subject to the emitter's statistics (Poisson, anti-grouping or sub-Poisson, defined in Fig. 9). This Optical signal will be divided into two beams through a beam separator (BS: "Beam Spitter") 50/50, forcing each photon to take the path L or the path R. This process will therefore generate two new signals {i¡ in Fig. 8 (a)). In addition, a tuned time delay has been added to path R. Both beams defined in L and R are made to influence separately and in a controlled manner on the time-space conversation, in particular on the deflection element thereof ((3) in Fig, 5), so that they will address two rows other than the CCD, indicated as row L and row R in Fig. 8 (a). The fists in each beam of light will be detected by equally spaced pixels (through the synchronization imposed by the beam deflector, as explained above) and divided by two rows of ¡a CCD, which will then collect the L and R beams. In this way, in each acquisition two subsets of data U are obtained, where j gives an account of the measurement made (j = 1 ... m). In the figure
8(a) se ha usado ei ejemplo de retardo = +1 , pero éste, es decir el retardo puede tomar vaiores enteros negativos y positivos, como también e! valor 0. Este procedimiento se realiza un número m de veces, m adquisiciones en la CCD. La información sobre la señal óptica y la naturaleza de ios emisores que la generan podrá ser determinada a partir de este análisis. 8 (a) the example of delay = +1 has been used, but this, that is, the delay can take negative and positive integer values, as well as e! value 0. This procedure is performed a number of times, m acquisitions in the CCD. The information about the optical signal and the nature of the emitters that generate it can be determined from this analysis.
En ¡a Fig . 8 se muestra el procedimiento para analizar ¡a estadística de emisión de fotones usando la medida basada en el análisis de la función de correlación de segundo orden. Para reaiizar el análisis de la función de correlación de segundo orden, el proceso de medida experimental usa las siguientes definiciones de Oper 1 y 2 (Fig. 7 (c)). Operl calcula la multiplicación componente a componente de ios subconjunlos L y R, generando un tercer conjunto C de igual dimensión. Por otro lado, Oper2 calcula el cociente entre el valor medio del conjunto C y la muitiplicaci'ón entre los vaiores medios de los conjuntos L y R, lo que equivale ai cálculo de ¡a función de correlación de segundo orden que llamamos Adq (retardo). ). In Fig. 8 shows the procedure to analyze the photon emission statistics using the measurement based on the analysis of the second order correlation function. To perform the analysis of the second order correlation function, the experimental measurement process uses the following definitions of Oper 1 and 2 (Fig. 7 (c)). Operl calculates the component-to-component multiplication of the subsets L and R, generating a third C set of equal dimension. Furthermore, Oper2 calculates the ratio of the mean value of the set C and muitiplicaci 'on between media vaIues of L and R joint, equivalent ai calculating function of second order correlation is called Adq (delay ). ).
El resultado fina! se obtendrá calculando ei valor medio de ios m valores de Adq (retardo) = Este parámetro será función del retardo elegido entre las filas L y R,The fine result! it will be obtained by calculating the average value of ios m values of Adq (delay) = This parameter will be a function of the delay chosen between rows L and R,
A continuación se van a presentar los resultados de unas simulaciones realizadas con el sistema y método de la presente invención. Se han realizado simulaciones del método dei análisis usando el cálculo de la función de correlación de segundo orden descrito en los
párrafos anteriores, usando como parámetro de entrada las funciones de probabilidad de la emisión de fotones para tres distribuciones concreías (determinadas por ia naturaleza del emisor): distribución Bose-Einstein (Fig. 9(a), d istribución de Poisson (F¡g.8{b)) y distribución sub-Poisson (Fig. 9(c)) (fotones uno-a-uno o "antiagrupados"). Estas distribuciones quedan parametnzadas por el valor medio de fotones ((AV)), el cual se ha elegido ig ual a 1 ({Nf} = 1) . Primero se mostrará el caso ideal, en ei q ue no se suponen pérdidas del sistema, ni efecto de ruido externo . Posteriormente se evalúa el efecto de las perdidas, añadiendo un canal aleatorio de supresión de fotones, como, a su vez, el efecto del ruido, simulado ponderando ia distribución de probabilidad de emisión de fotones con una distribución Poisson con peso relativo variable. En cada caso se na elegido 1 00 pulsos (n = 1 00) por cada fila de la CCD y 100 adquisiciones (m = 100). Este caso se comparará con el obtenido para n = m = 1000, que supondría un case estadísticamente más representativo. Next, the results of simulations performed with the system and method of the present invention will be presented. Simulations of the analysis method have been performed using the calculation of the second order correlation function described in the previous paragraphs, using as input parameter the probability functions of the emission of photons for three specific distributions (determined by the nature of the emitter): Bose-Einstein distribution (Fig. 9 (a), distribution of Poisson (F¡g .8 {b)) and sub-Poisson distribution (Fig. 9 (c)) (one-on-one or "anti-grouped" photons). These distributions are set by the average photon value ((AV)), which has been chosen equal to 1 ({N f } = 1). First, the ideal case will be shown, in which no system losses or external noise effect are assumed. Subsequently, the effect of losses is evaluated, adding a random photon suppression channel, as, in turn, the effect of noise, simulated by weighing the probability distribution of photon emission with a Poisson distribution with variable relative weight. In each case, 1 00 pulses (n = 1 00) were chosen for each row of the CCD and 100 acquisitions (m = 100). This case will be compared with that obtained for n = m = 1000, which would be a statistically more representative case.
En la Fig. 10 se muestran ios resultados de la simulación de la medida de la función de correlación de segundo orden (g2(t)) siguiendo el procedimiento descrito arriba, para el caso ideal sin pérdidas ni ruido (Fig . 1 0(a)) y para un caso realista en ei que se incorpora el 50% de pérdidas dei sistema , y un ruido del 20% respecto a ia señal óptica (Fig . 1 0(b)). Los resultados para esta simulación se correlacionan perfectamente con ios obtenidos para el análisis de la desviación estándar, si bien para las estadísticas Bose-Einstein y Antiagrupada, la diferencia entre ios valores de se hace mucho más
Fig. 10 shows the results of the simulation of the measurement of the second order correlation function (g 2 (t)) following the procedure described above, for the ideal case without losses or noise (Fig. 1 0 ( a)) and for a realistic case in which 50% of system losses are incorporated, and a noise of 20% with respect to the optical signal (Fig. 1 0 (b)). The results for this simulation correlate perfectly with the ios obtained for the analysis of the standard deviation, although for the Bose-Einstein and Antiagrupada statistics, the difference between the values of becomes much more
noíabie, incluso cuando se añade ei efecto de las pérdidas del sistema y del ruido. Esto es, ia función obtenida con la técnica propuesta por ia presente Invención ofrece una evaiuación de la estadística de emisión de fotones con un buen contraste entre los valores para t - 0 y t≠ 0. Nobie, even when the effect of system losses and noise is added. That is, the function obtained with the technique proposed by the present invention offers an evacuation of the photon emission statistics with a good contrast between the values for t-0 and t ≠ 0.
Los resultados analizados, asi come ia validación experimental del método de modulación espaciaí, demuestran la posibilidad de determinar y clasificar la naturaleza de la estadística de emisión de los fotones mediante un montaje experimental alternativo al H BT. Usando este tipo de medida experimental se pueden realizar distintos análisis "off-line" de los datos de adquisición de una CCD. La ventaja principa! de la técnica experimental propuesta por la presente invención proviene del tiempo de adquisición necesario para medir ei valor de g2(x). Para realizar una estimación del tiempo de adquisición se han usado, las características técnicas de dos cámaras CCD comerciales que actualmente están en ei mercado. Estas cámaras CCD son capaces de trabajar en régimen de detección de un solo fotón, debido a su acción de multiplicación electrónica , en las regiones espectrales de máxima eficiencia cuántica. Las diferencias esenciales entre ambas cámaras, llámense A y
B, provienen dei numero total de pixeies y de ¡a velocidad máxima en modo "Cropped Sensor Mode" (CSiVl ), La primera de ei¡as, cámara A, posee 512 pixeles, mientras que la segunda, cámara B, posee 1 024. Esto implica que un numero razonable de pulsos a lo ¡argo de la CCD (n) podría ser 50 y 1 00 para cada cámara , respectivamente. Teniendo en cuenta el análisis de la dispersión dei valor de g"(t) en función de n y m, se puede estimar que el valor m ínimo de adq uisiciones en cada caso debe ser de 400 y 200, De esta forma, ei valor de la dispersión es lo suficientemente bajo para poder obtener una lectura lo suficientemente n ítida. The results analyzed, as well as the experimental validation of the spatial modulation method, demonstrate the possibility of determining and classifying the nature of the emission statistics of the photons by means of an experimental assembly alternative to H BT. Using this type of experimental measurement, different "off-line" analyzes of the acquisition data of a CCD can be performed. The main advantage! The experimental technique proposed by the present invention comes from the acquisition time necessary to measure the value of g 2 (x). To estimate the acquisition time, the technical characteristics of two commercial CCD cameras that are currently on the market have been used. These CCD cameras are capable of working in a single photon detection regime, due to their electronic multiplication action, in the spectral regions of maximum quantum efficiency. The essential differences between both chambers, call A and B, come from the total number of pixels and at maximum speed in "Cropped Sensor Mode" (CSiVl), the first one, camera A, has 512 pixels, while the second, camera B, has 1,024 This implies that a reasonable number of pulses along the CCD (n) could be 50 and 1 00 for each chamber, respectively. Taking into account the analysis of the dispersion of the value of g "(t) as a function of n and m, it can be estimated that the minimum value of adq uisitions in each case should be 400 and 200, Thus, the value of the dispersion is low enough to obtain a clear enough reading.
Tornando como referencia ios vaíores de ios Trame rates" (velocidades de fotogramas) de ambas cámaras en modo CSM, se han estimado los tiempos totales de integración usando estos parámetros de adq uisición. De esta forma, la velocidad máxima de adq uisición, sin tener en cuenta ei tiempo necesario del cálculo "off-llne ", usando la cámara A (512x1 pixeles) y la cámara B ( 1 024 x 1 pixeles) sería de 38 y 48 ms para cada valor de retardo. Sin embargo, para realizar esta med ida a esta velocidad se necesitarían dos cámaras iguales y sincronizadas para adquirir ios canales L y R. La medida se puede realizar con solo una cámara si se aumenta el tamaño del "array" en el modo CSM (por ejemplo, usando unos "arrays" de 512x32 o 1 024x32 en cada cámara, respectivamente). De esta forma, el tiempo de integración usando los parámetros de n y m descritos anteriormente para cada cámara, aumentarían hasta 0.5 y 0.72 s. Por tanto, usando la técnica de ia presente invención según se ha descrito y simulado arriba, usando cámaras CCD actuales, ei tiempo de Integración para obtener el valor de g'{Q) de un sistema em isor de fotones se podría reducir hasta 3 - 4 órdenes de magnitud, clasificar así ¡a naturaleza de su estad ística o bien usar la técnica para ¡mpiementar operaciones de manejo de fotones, por ejemplo, en el futuro campo de ia óptica cuántica integrada para computadores cuánticos y telecomunicaciones (manejo cuántico de ¡a información). Turning the ios Trame rates "(frame rates) of both cameras into CSM mode as a reference, the total integration times have been estimated using these acquisition parameters. Thus, the maximum acquisition rate, without having taking into account the necessary time of the "off-llne" calculation, using camera A (512x1 pixels) and camera B (1,024 x 1 pixels) would be 38 and 48 ms for each delay value. However, to perform this At this speed, two equal and synchronized cameras would be required to acquire the L and R channels. The measurement can be performed with only one camera if the size of the "array" is increased in the CSM mode (for example, using "arrays" "512x32 or 1 024x32 in each chamber, respectively). Thus, the integration time using the n and m parameters described above for each camera would increase to 0.5 and 0.72 s. Therefore, using the technique of the present invention according to It has been described and simulated above, using current CCD cameras, and the Integration time to obtain the value of g '{Q) of a photon system could be reduced to 3-4 orders of magnitude, thus classifying the nature of its statistics or use the technique to implement photon management operations, for example, in the future field of integrated quantum optics for quantum computers and telecommunications (quantum information management).
Un experto en ia materia podría introducir cambios y modificaciones en los ejemplos de realización descritos sin salirse del alcance de la invención seg ún está definido en las reivindicaciones adjuntas.
A person skilled in the art could introduce changes and modifications in the described embodiments without departing from the scope of the invention as defined in the appended claims.
Claims
1 . - Sistema para la medida y análisis de señales luminosas temporales, que comprende: one . - System for measuring and analyzing temporary light signals, which includes:
- medios de conversión tiempo-espacio que comprenden unos medios de deflexión (3) configurados y dispuestos para recibir una señal luminosa variable temporalmente (Sr) y convertirla en una señal luminosa variable espaclaimente (Or); - time-to-space conversion means comprising deflection means (3) configured and arranged to receive a temporarily variable light signal (Sr) and convert it into a scalable light signal (Or);
- medios de foto-detección muiíicanaí (4) configurados y dispuestos para detectar dicha señal luminosa variable especialmente (Or): y - muiíicanaí photo-detection means (4) configured and arranged to detect said variable light signal especially (Or): and
- medios de procesamiento (5) en conexión con dichos medios de foío-detección multícanal (4) y configurados y dispuestos para recibir y procesar unos datos proporcionados por éstos y correspondientes o asociados a unos valores que la señal luminosa variable espaclaimente (Or) tiene en cada uno de ios canales de los medios de foto-detección muiticanai (4); - processing means (5) in connection with said multichannel foio-detection means (4) and configured and arranged to receive and process data provided by them and corresponding or associated with values that the luminous variable signal light (Or) has in each of the channels of the muiticanai photo-detection media (4);
estando el sistema caracterizado porque está previsto para el análisis de señales luminosas pulsadas moduladas temporalmente según una frecuencia de excitación fe y porque dichos medios de conversión tiempo-espacio comprenden unos medios de control (6) que controlan a dichos medios de deflexión (3) para que operen sincronizadamente con dicha modulación temporal con una frecuencia de deflexión fd tai que:
the system being characterized in that it is provided for the analysis of pulsed light signals temporarily modulated according to an excitation frequency fe and that said time-to-space conversion means comprise control means (6) that control said deflection means (3) for that operate synchronously with said temporal modulation with a frequency of deflection fd tai that:
donde n es un numero natural distinto de cero. where n is a natural number other than zero.
2. - Sistema según la reivindicación 1 , caracterizado porque dichos medios de deflexión (3) comprenden a! menos un elemento deflector de luz (3) configurado y dispuesto para dirigir secuenclaimeníe, bajo el control de los medios de control (6), diferentes porciones temporales de la señal luminosa pulsada variable temporalmente (Sr) a unas correspondientes diferentes zonas de foto-detección de los medios de foío-detección muiticanai (4), cada una asociada a al menos uno de ios canales de foto-detección. 2. - System according to claim 1, characterized in that said deflection means (3) comprise a! less a light deflector element (3) configured and arranged to direct sequentially, under the control of the control means (6), different temporary portions of the temporarily variable pulsed light signal (Sr) to corresponding different photo-detection zones of the foio-detection means muiticanai (4), each associated with at least one of the photo-detection channels.
3. - Sistema según la reivindicación 2, caracterizado porque dicho elemento deflecíor de luz (3); que es al menos uno, es desplazable bajo el control de ios medios de control (6) para producir dicho direccionamiento de las diferentes porciones temporales de la señal luminosa variable temporalmente (Sr) a las correspondientes diferentes zonas de foto-detección de los medios de foío-detección muiticanai (4).
3. - System according to claim 2, characterized in that said light deflector element (3) ; which is at least one, is movable under the control of the control means (6) to produce said addressing of the different temporal portions of the temporarily variable light signal (Sr) to the corresponding different photo-detection zones of the means of foit-detection muiticanai (4).
4. - Sistema según la reivindicación 3, caracterizado porque dicho elemento defiector de luz (3), que es al menos uno, es desplazable rotatoriamente alrededor de al menos un eje de giro (E1 ), y está dispuesto para que en función de su posición angular dirija a la señal luminosa variable temporalmente (Sr), Incidente sobre el mismo, hacia una u otra de ¡as zonas de foto-detección de ios medios de foto-detección multicanaí (4), donde fd corresponde a ia frecuencia de giro del elemento defiector de iuz (3) airededor de dicho eje de gire (E1 }. 4. - System according to claim 3, characterized in that said light defiector element (3), which is at least one, is rotatably movable around at least one axis of rotation (E1), and is arranged so that depending on its angular position direct the temporarily variable light signal (Sr), Incident on it, towards one or the other of the photo-detection areas of the multicanaí photo-detection means (4), where fd corresponds to the frequency of rotation of the iuz deflector element (3) aerator of said rotation axis (E1}.
5. - Sistema según la reivindicación 2, 3 ó 4, caracterizado porque eí elemento defiector de luz (3), que es al menos uno, desvía la íuz por reflexión y/o por transmisión. 5. - System according to claim 2, 3 or 4, characterized in that the light-deflector element (3), which is at least one, deflects the light by reflection and / or by transmission.
6. - Sistema según ia reivindicación 5, caracterizado porque el elemento defiector de iuz (3), que es ai menos uno, comprende al menos un espejo con ai menos una cara reflectante. 6. - System according to claim 5, characterized in that the iuz defiector element (3), which is at least one, comprises at least one mirror with at least one reflective face.
7 - Sistema según ia reivindicación 6, caracterizado porque dicho espejo, que es al menos uno, comprende una pluralidad de caras reflectantes angularmente desplazadas entre sí. 7 - System according to claim 6, characterized in that said mirror, which is at least one, comprises a plurality of angularly offset reflective faces.
8. - Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores 2 a 7, caracterizado porque los medios de deflexión comprenden ai menos uno de ios siguientes sistemas: un sistema gaivanométrico que comprende a dos de dichos elementos deflectores de luz, un sistema micro-electromecánico que incluye una pluralidad de dichos elementos deflectores de luz, uno o más elementos deflectores de iuz constituidos por respectivos elementos deflectores acusto-ópíicos y/o electro-ópticos por transmisión, un resonador de micro-anillos, o una combinación de ios mismos, 8. - System according to any of the preceding claims 2 to 7, characterized in that the deflection means comprise at least one of the following systems: a gaivanometric system comprising two of said light deflector elements, a micro-electromechanical system that includes a plurality of said light deflector elements, one or more iuz deflector elements constituted by respective acoustic-optic and / or electro-optical baffle elements by transmission, a micro-ring resonator, or a combination thereof,
9. - Sistema según cualquiera de las reivindicaciones antenores, caracterizado porque está aplicado a la medida y ei análisis de los tiempos de vida de transiciones ópticas, o de variables relacionadas con dichos tiempos de vida. 9. - System according to any of the preceding claims, characterized in that it is applied to the measurement and analysis of the life times of optical transitions, or of variables related to said life times.
10.- Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende unos medios de modulación temporal encargados de llevar a cabo dicha modulación temporal de las señales luminosas pulsadas (Sr) según dicha frecuencia de excitación fe. 10. System according to any of the preceding claims, characterized in that it comprises means of temporary modulation responsible for carrying out said temporary modulation of the pulsed light signals (Sr) according to said excitation frequency fe.
1 1 .- Sistema según ia reivindicación 10, caracterizado porque está aplicado a ia medida de señales luminosas emitidas por fotoluminiscencia por una muestra (2), comprendiendo
dichos medios de modulación temporal una fuente pulsada de excitación (1 ), configurada y dispuesta para excitar a dicha muestra (2) con una señal pulsada de excitación de frecuencia /e para que emita dichas señales luminosas pulsadas moduladas temporalmente (Sr). 1 1 .- System according to claim 10, characterized in that it is applied to the measure of light signals emitted by photoluminescence by a sample (2), comprising said temporary modulation means a pulsed excitation source (1), configured and arranged to excite said sample (2) with a pulsed frequency excitation signal / e to emit said pulsed light signals temporarily modulated (Sr).
12. - Sistema según ia reivindicación 1 1 , caracterizado porque los medios de foto-detección muiticanai (4) comprenden una disposición ordenada de elementos foto-detectores, y porque los medios de procesamiento (5) están programados para realizar dicho análisis de señales luminosas pulsadas moduladas temporalmente impiementando técnicas de fotoluminiscencia resuelta en tiempo procesando dichos datos proporcionados por los medios de foto-detección muiticanai (4) mediante una integración, durante un tiempo determinado, de ios datos recibidos en cada uno de dichos elementos foto-detectores. 12. - System according to claim 1, characterized in that the muiticanai photo-detection means (4) comprise an ordered arrangement of photo-detector elements, and that the processing means (5) are programmed to perform said analysis of light signals pulsed temporarily modulated by implementing time-resolved photoluminescence techniques by processing said data provided by the muiticanai photo-detection means (4) by means of an integration, for a certain time, of the data received in each of said photo-detector elements.
13. - Sistema según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque comprende un divisor óptico (B) configurado y dispuesto para separar dicha señai luminosa (Sr) en dos correspondientes sub-señales luminosas (Sr1 , Sr2) y dirigirlas a dos respectivas regiones diferenciadas de dichos medios de deflexión (3), estando los medios de deflexión (3) configurados y dispuestos para, bajo el control de dichos medios de control (6), enviar una de dichas sub-seña¡es luminosas (Sr1 ) a una de dos agrupaciones de canales de ios medios de foto-detección muiticanai (4) y enviar la otra sub-señal luminosa (Sr2) a la otra agrupación de canales de los medios de foto-detección muiticanai (4). 13. - System according to any of the preceding claims, characterized in that it comprises an optical splitter (B) configured and arranged to separate said light signal (Sr) into two corresponding light sub-signals (Sr1, Sr2) and direct them to two respective differentiated regions of said deflection means (3), the deflection means (3) being configured and arranged to, under the control of said control means (6), send one of said luminous sub-signals (Sr1) to one of two channel groupings of the muiticanai photo-detection media (4) and send the other light sub-signal (Sr2) to the other channel group of the muiticanai photo-detection media (4).
14. -- Sistema según la reivindicación 13, caracterizado porque comprende un elemento óptico retardador (Sr) configurado y dispuesto en el camino de una de dichas sub-señales luminosas (Sr1 , Sr2) para retardar su llegada a ios medios de deflexión (3) con respecto a la llegada de la otra sub-sefial luminosa. 14. - System according to claim 13, characterized in that it comprises a retarding optical element (Sr) configured and arranged in the path of one of said luminous sub-signals (Sr1, Sr2) to delay its arrival at the deflection means (3 ) with respect to the arrival of the other luminous sub-signal.
15. - Sistema según ia reivindicación 13 ó 14 cuando dependen de la 1 1 , caracterizado porque los medios tíe foto-detección muiticanai (4) comprenden una disposición ordenada de elementos foto- detectores que incluye al menos dos sub-disposiciones diferenciadas, cada una de ellas constituyendo una respectiva de las dos agrupaciones de canales receptoras de las dos sub-señales luminosas (Sr1 , Sr2), y porque ios medios de procesamiento (5) están programados para realizar dicho análisis de señales luminosas temporales impiementando técnicas de análisis de estadística de emisión de fotones, procesando los datos proporcionados por los medios de foto-detección muiticanai (4) en cada una de dichas sub-disposiciones ordenadas de elementos foto-detectores utilizando
una función de correlación de orden dos, g2(r).. donde τ equivale ai retardo existente entre cada una de las sub-señaíes iuminosas (Sr1 , Sr2). 15. - System according to claim 13 or 14 when they depend on the 1 1, characterized in that the means have photo-detection muiticanai (4) comprise an ordered arrangement of photo-detector elements that includes at least two differentiated sub-provisions, each of these constituting a respective one of the two groups of receiving channels of the two light sub-signals (Sr1, Sr2), and because the processing means (5) are programmed to perform said analysis of temporary light signals by implying statistical analysis techniques of photon emission, processing the data provided by the muiticanai photo-detection means (4) in each of said ordered sub-arrangements of photo-detector elements using a correlation function of order two, g 2 (r). . where τ equals the delay existing between each of the light sub-signals (Sr1, Sr2).
1 6. - Sistema según una cualquiera de ias reivindicaciones 1 a 12, caracterizado porque comprende un elemento óptico separador (C) configurado y dispuesto para dividir espaciaimente a dicha señal luminosa moduiada temporalmente (Sr) en un continuo de sub- señales luminosas (Srd 1 . . .Srdn) con diferentes longitudes de onda, dispersándolas según un eje Y, y dirigirlas a unas respectivas reglones diferenciadas de dichos medios de deflexión (3), estando los medios de deflexión (3) configurados y dispuestos para, bajo el control de ios medios de control (6), enviar cada una de ias sub-señales iuminosas (Srd 1 . .. Srdn) a unas respectivas agrupaciones de canales de ios medios de foto-detección muiticanal (4) ordenadas según un eje Y. 1 6. - System according to any one of claims 1 to 12, characterized in that it comprises a separating optical element (C) configured and arranged to divide the said temporarily modulated light signal (Sr) into a continuum of luminous sub-signals (Srd) 1. Srdn) with different wavelengths, dispersing them along a Y axis, and directing them to respective differentiated regions of said deflection means (3), the deflection means (3) being configured and arranged for, under the control of the control means (6), send each of the light sub-signals (Srd 1 ... Srdn) to respective channel groupings of the mutational photo-sensing means (4) arranged according to a Y axis.
1 7, - Sistema seg ún la reivindicación 16 cuando depende de la 1 1 , caracterizado porque ios med ios de foto-detección muiticanal (4) comprenden una disposición ordenada de elementos foto-detectores en forma de cuadricula donde cada una de dichas ag rupaciones de canales está formada por una respectiva íiia de elementos de foto-detección que se extiende según un eje X y que se encuentran apiladas la una sobre ¡a otra según dicho eje Y, conformando dicha cuadrícula, de manera que ios datos proporcionados por ia cuadrícula de elementos ¡oto-detectores se corresponden respectivamente con variaciones de longitud de onda, según el eje Y, y con variaciones temporales, según el eje X, y porque ios medios de procesamiento (5) están programados para realizar dicho análisis de señales luminosas temporales ¡mplementando técnicas de fotoluminiscencia resuelta en tiempo y especialmente, procesando los datos proporcionados por la cuadrícula de elementos foto- detectores. 1 7, - System according to claim 16 when it depends on the 1 1, characterized in that the photographic detection means (4) comprise an ordered arrangement of grid-shaped photo-detector elements where each of said clusters of channels is formed by a respective range of photo-sensing elements that extend along an X axis and which are stacked on top of each other along said Y axis, forming said grid, so that the data provided by the grid of elements ¡oto-detectors correspond respectively with wavelength variations, according to the Y axis, and with temporal variations, according to the X axis, and because the processing means (5) are programmed to perform said analysis of temporary light signals Complementing time-resolved photoluminescence techniques and especially, processing the data provided by the grid of photodetector elements.
18 - Método para la medida y análisis de señales iuminosas temporales, que comprende: 18 - Method for measuring and analyzing temporary light signals, which includes:
- recibir una señal luminosa variable temporalmente (Sr) y convertirla en una señal luminosa variable espaciaimente (Or), utilizando unos medios de conversión tiempo-espacio que comprenden unos medios de deflexión (3); - receiving a temporarily variable light signal (Sr) and converting it into a spatially variable light signal (Or), using time-to-space conversion means comprising deflection means (3);
- detectar dicha señal luminosa variable espaciaimente (Or) en unos med ios de foto- detección muiticanal (4); y - detecting said spacing variable light signal (Or) in muitichannel photo-detection means (4); Y
- recibir y procesar, mediante unos medios de procesamiento (5), unos datos proporcionados por dichos medios de foto-detección muiticanal (4) y correspondientes o asociados a unos valores que ¡a señal luminosa variable espaciaimente (Or) tiene en cada uno de los canales de los medios de foto-detección muiticanal (4);
estando el método caracterizado porque está previsto para el análisis de señales luminosas pulsadas moduladas temporalmente según una frecuencia de excitación fe y porque comprende controlar a dichos medios de deflexión (3) para que operen sincronizadarnente con dicha modulación temporal con una frecuencia de deflexión fd tai que:
- receive and process, by means of processing means (5), data provided by said muitichannel photo-detection means (4) and corresponding or associated to values that the spacing variable light signal (Or) has in each of the channels of the muitichannel photo-detection means (4); the method being characterized in that it is provided for the analysis of pulsed light signals temporarily modulated according to an excitation frequency fe and that it comprises controlling said deflection means (3) to operate synchronously with said temporary modulation with a deflection frequency fd tai which :
donde n es un número natural distinto de cero. where n is a natural number other than zero.
19. - Método según ia reivindicación 18, caracterizado porque está adaptado para utilizar el sistema según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 17. 19. - Method according to claim 18, characterized in that it is adapted to use the system according to any one of claims 1 to 17.
20. - Programa de ordenador, que incluye instrucciones de código que cuando se ejecutan en un ordenador impiementan el procesamiento de datos de! método según una cualquiera de las reivindicaciones 1 8 a 19.
20. - Computer program, which includes code instructions that, when executed on a computer, imply the data processing of! method according to any one of claims 1 to 8.
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|---|---|---|---|
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| ES2573955B2 (en) | 2017-03-16 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 15858363 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
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| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 15858363 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |