Zeitauflösungsmesstechnik

Zeitauflösung ist die kleinstmögliche Zeitspanne, über die zwei Ereignisse noch als getrennte Ereignisse unterschieden werden können. In Messungen entspricht das beobachtete Signal typischerweise der Faltung des tatsächlichen zeitlichen Profils mit der Instrumentenantwort des Messsystems. Die Zeitauflösung wird häufig durch die Vollbreite bei halber Höhe (FWHM) der Instrumentenantwort charakterisiert; sie gibt an, wie präzise ein System zeitliche Strukturen abbilden kann. Je kleiner die FWHM, desto feiner die zeitliche Struktur, die erkannt werden kann.

Zur Erhöhung der Zeitauflösung kommen schnelle Detektoren und Elektronik zum Einsatz. Typische Sensoren sind Photomultiplier (PMT) oder Avalanche-Photodioden (APD), Streak-Kameras oder Hochgeschwindigkeits-Zeitmesssysteme wie TCSPC (time-correlated single-photon counting) mit Zeitstempelung. In der Ultrafast-Forschung ermöglichen Laser mit Femtosekunden-Pulsabständen Pump-Probe-Experimente, die zeitliche Auflösung im Bereich von wenigen Femtosekunden zu erreichen. Die praktische Auflösung hängt neben dem Detektor auch von der Elektronik, dem Rauschen und der Statistik der Photonenzahl ab.

Anwendungsgebiete reichen von zeitaufgelöster Fluoreszenzspektroskopie und Fluoreszenz-Lifetime-Imaging (FLIM) über Pump-Probe-Spektroskopie bis hin zu Time-of-Flight-Massenspektrometrie und LIDAR. Typische Grenzen werden durch Detektor-Jitter, Bandbreite der Elektronik, Dunkelzählung und physikalische Prozesse gesetzt. Zwischen zeitlicher Auflösung, spektraler Auflösung und Signalintensität bestehen oft Kompromisse: höhere Zeitauflösung erfordert in der Regel höhere Photonenzahl oder leistungsfähigere Detektoren, was Kosten- und Signal-Rausch-Überlegungen beeinflusst. Deconvolution- oder Kalibrierungsverfahren helfen, die Zeitauflösung aus gemessenen Daten besser abzuleiten, sofern das Instrumentenantwortmodell gut bekannt ist.