Lectura de un fotodiodo en intervalos de nanosegundos

Necesito encender un LED (NTE 30030) durante 100 milisegundos, apagarlo e inmediatamente (< 1 ns o lo más cerca posible de cero) tomar medidas en un fotodiodo cercano (< 10 mm de distancia del LED) a intervalos de 1 ns para 5 ns. Esas medidas se pueden poner en un chip de búfer especial que se puede recuperar más tarde con un dispositivo Arduino.

¿Es esto posible con chips especiales? ¿Arduino puede hacer esto? ¿Qué tipo de literatura necesito leer para entender este problema?

EDITAR: Para mayor claridad, esto es para fluorescencia atómica. El biomarcador que estamos usando continúa emitiendo fluorescencia durante solo 2,6 ns después de que se corta la excitación. También puedo usar un láser si eso lo hace más fácil. Por razones de costo, no podemos seguir la ruta de los tubos fotomultiplicadores o el estilo de configuraciones del monocromador. Estamos tratando de hacer esto accesible, pero puede que no sea factible hacerlo leyendo algunos de los comentarios a continuación. No soy un experto en electrónica.

1ns? no no es posible o incluso cerca.
¿Qué fenómenos estás tratando de medir? Me gustaría estar convencido de que su proyecto realmente requiere un tiempo de respuesta de < 1 ns y un muestreo de 1 GHz
@JonL Me suena mucho a un proceso de medición de fluorescencia o (menos probable) fosforescencia. Pero el OP tendrá que decir, supongo. (Hmmm. 575nm.)
@JonL La razón por la que creo que debe ser fluorescencia atómica es que las escalas de tiempo son correctas. Los átomos (el tiempo y la energía son atómicos y no reticulares/moleculares) absorben y vuelven a emitir fotones en la escala de la que estamos hablando aquí. Para calcular el τ uno puede necesitar este tipo de capacidad de dispositivo. También podría ser simplemente una medida directa de la reemisión de cualquier átomo.
1ns es aproximadamente la vida media de la aspirina excitada a 240 nm convertida a 380 nm
@TonyStewart: Existen alcances de GHz... así que tengo que creer que esto es físicamente posible. No es que vaya a ser fácil...
cuesta mucho más que un arduino
OP necesita investigar un poco más, por ejemplo, electronics.stackexchange.com/questions/86717/…
@AndrewSpott, el problema no es muestrear a 1 Gsps. El problema es lograr que el LED se apague lo suficientemente rápido como para no ser más brillante que la fosforescencia que está tratando de medir.
Es para fluorescencia atómica. La curva de respuesta para el biomarcador es la fluorescencia máxima hasta 2,6 ns después del corte. Esto puede no ser posible de hacer como puedo ver en los comentarios aquí. La razón por la que estamos probando este método es reducir los costos para hacer algo portátil y de precio razonable (es decir, sin tubos fotomultiplicadores ni monocromadores) para que la gente pueda construir su propio producto de forma económica. También puedo usar un láser verde como entrada.
@AliChen No tengo el vocabulario para haber encontrado el artículo "¿Cuál es la latencia de un LED?". Pero esa no era mi pregunta. Sin embargo, ahora me doy cuenta de que este es un aspecto importante de mi pregunta. Voy a investigar más. Pero es por eso que pregunté.
¿Necesita medir amplitudes, o esta señal será una señal binaria de aprobación/rechazo para cada una de las 5 muestras? El hardware digital que opera a velocidades de GHz no es trivial, pero las lecturas analógicas a esas velocidades por poco dinero realmente requerirán un especialista. ¿Es posible traer a un experto en electrónica a su equipo? Si le preocupa el costo por unidad, alguien que conozca tanto la electrónica de alta velocidad como los detalles específicos de su tarea puede ser invaluable.
Necesitaría algún grado de amplitudes. Quizás no sea de alta resolución, pero sí de una escala de al menos 0-256. Creo que tienes razón en que necesito hablar con un experto. No me había dado cuenta de esto y estoy muy por encima de mi cabeza como puedo ver. ¿Dónde puedo encontrar y contratar en línea a un experto en electrónica de alta velocidad que pueda responder algunas y más de estas preguntas? Esa debe ser una especialidad difícil de encontrar.
Conozco gente que hace esto para ganarse la vida en el Reino Unido, pero en realidad no son baratos. Si tiene varias decenas de miles de dólares para gastar, probablemente podría ponerlo en contacto.
@ejkitchen Gracias por la confirmación. Esta es un área en la que me especializo. ¡Así que me lo pareció a mí! Apreciado. Estoy realmente interesado en los detalles. Pero supongo que eso no es apropiado aquí.

Respuestas (2)

1ns? no no es posible o incluso cerca.

Puede encenderlo en 30 ns, pero apagarlo lleva más tiempo con un interruptor convencional de alta impedancia, tal vez apague <500 ns con un controlador de derivación.

Pero para detectar la luz con esta velocidad, se necesita un fotodetector de capacitancia extremadamente baja con un amplificador de baja ganancia de muy baja impedancia porque la velocidad de respuesta de la fuente de corriente se ralentiza con menos luz. Un GaP PD tiene un tiempo de encendido/apagado de 1 ns/140 ns, por ejemplo, Thorlabs FGAP71

Es posible que deba ingresar a láseres y fotónica avanzada para estos tiempos de descomposición con fotodetectores de sílice fundido 1ns/1ns, por ejemplo, FDS010 ~ $ 60 y luego amplificadores costosos con ensamblajes resistentes a microondas para mayor estabilidad.

https://www.thorlabs.com/_sd.cfm?fileName=0636-S01.pdf&partNumber=FDS010

Si usara un láser, ¿crees que podría reducir el tiempo de apagado?
ciertamente más rápido que un LED
Cuando dice más caro, ¿está hablando de $ 1 en lugar de $ 14 o necesito un tipo especial de láser? Puedo usar un láser para hacer la excitación y algunos baratos están cerca de lo que necesito en términos de longitud de onda. Eso podría funcionar.
costos de láser en el rango de $100 pulsados ​​de 100% a <10% podrían dar la respuesta deseada dependiendo de la longitud de onda y los costosos filtros ópticos. .. tienes que buscar.
Tenemos todo funcionando con láser/LED y filtros costosos, además de otras cosas sofisticadas para reducir el ruido. Ahora simplemente estamos tratando de hacer un dispositivo portátil barato usando componentes listos para usar. Esa es nuestra lucha en este momento y puede que no sea posible hacer esto. Gracias por los comentarios y las respuestas. Muy apreciado.

¿Necesita tomar cada muestra con algún tipo de resolución de amplitud o solo resolución temporal?

La medición precisa de la amplitud a 1 GHz no será barata, pero si todo lo que necesita es un cronómetro realmente preciso, entonces algo como el THS788 podría funcionar. Es un contador de alta precisión que tiene un LSB de 13pS y un MSB de +/- 7 seg (aunque el ancho de pulso mínimo detectable es de 5nS, por lo que es posible que deba agregar algunos comparadores de enganche).

Acompáñelo con un amplificador de fotodiodo apropiado y podrá medir el tiempo en que su señal cruza un conjunto de 4 umbrales (el THS788 tiene 4 canales de entrada y si cada uno tiene un comparador bueno... se hace una idea). Como una especie de bono adicional, el THS788 tiene una entrada de sincronización que establece t = 0 que puede conectar a su fuente de LED para activar el contador.

Pero, como dijo Tony, cualquier cosa que involucre bordes de subnanosegundos costará muchos cientos de dólares (por ejemplo, $60 por el PD, $160 por el 788, un ADCMP566 cuesta ~$9 y responderá a anchos de pulso de hasta 200pS, eso ya es ~$250 y eso es sin un amplificador PD de alta velocidad, un controlador de alta velocidad para el LED o cualquier otro circuito de apoyo). Pero si también necesita tomar medidas de amplitud , espere al menos un precio de 4 cifras.

¡Gracias por la respuesta! Creo que no seré capaz de hacer esto. Si pudiera llegar a unos pocos cientos, funcionaría, pero más de mil ya no es factible para nuestros objetivos. Es un proyecto de código abierto y debe tener un precio razonable para que lo utilicen los países más pobres.
@ejkitchen Para la fluorescencia, también necesitaría un divisor de haz, un filtro de película delgada o dos, y un ensamblaje para todo esto, si estoy proyectando mis pensamientos correctamente. Hay muchas cosas, además de las partes electrónicas, que hacen que esto sea difícil de hacer. Cualquier circuito electrónico hará esto de todos modos, cuando se habla de estas velocidades, pero creo que es posible que deba considerar la integral del proceso en lugar de una medida directa. ¿Puedes, quizás, tomar la razón de dos integrales? Debe examinar otras formas de reducir el precio. Y explore las matemáticas aquí para obtener ideas.
@ejkitchen no se desanime demasiado. El precio aumenta con la frecuencia de muestreo y la resolución de la muestra, por lo que si puede arreglárselas con pulsos más lentos, el precio bajará, si puede arreglárselas con muestras de 10 nS, entonces puedo ver fácilmente que esto se hace por menos de $ 1 k. La transición de cientos de MHz a GHz siempre ha sido costosa, ya que requiere una metodología de diseño completamente diferente, a medida que ingresa al ámbito de las microondas, todo tipo de vudú de RF comienza a interferir con su circuito.
Lectura de un fotodiodo en intervalos de nanosegundos
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