Введение, тип счета фотоновлинейный лавинный фотодетектор
Технология подсчета фотонов может полностью усилить фотонный сигнал, чтобы преодолеть шум считывания электронных устройств, и записать количество фотонов, выдаваемых детектором за определенный период времени, используя естественные дискретные характеристики выходного электрического сигнала детектора при слабом световом облучении, и вычислить информацию об измеряемой цели в соответствии со значением измерителя фотонов. Для того чтобы реализовать обнаружение крайне слабого света, в разных странах были изучены многие различные виды приборов с возможностью обнаружения фотонов. Твердотельный лавинный фотодиод (Фотодетектор APD) — это устройство, которое использует внутренний фотоэлектрический эффект для обнаружения световых сигналов. По сравнению с вакуумными устройствами твердотельные устройства имеют очевидные преимущества в скорости отклика, темновом счете, энергопотреблении, чувствительности к объему и магнитному полю и т. д. Ученые провели исследования на основе технологии визуализации подсчета фотонов твердотельных APD.
Фотоприемное устройство APDимеет два рабочих режима: режим Гейгера (GM) и линейный режим (LM), текущая технология визуализации подсчета фотонов APD в основном использует устройство APD в режиме Гейгера. Устройства APD в режиме Гейгера обладают высокой чувствительностью на уровне одиночного фотона и высокой скоростью отклика в десятки наносекунд для получения высокой точности времени. Однако у APD в режиме Гейгера есть некоторые проблемы, такие как мертвое время детектора, низкая эффективность обнаружения, большой оптический кроссворд и низкое пространственное разрешение, поэтому сложно оптимизировать противоречие между высокой скоростью обнаружения и низкой частотой ложных тревог. Счетчики фотонов на основе почти бесшумных устройств APD с высоким коэффициентом усиления HgCdTe работают в линейном режиме, не имеют ограничений по мертвому времени и перекрестным помехам, не имеют постимпульса, связанного с режимом Гейгера, не требуют схем гашения, имеют сверхвысокий динамический диапазон, широкий и настраиваемый спектральный диапазон чувствительности и могут быть независимо оптимизированы для эффективности обнаружения и частоты ложных срабатываний. Он открывает новую область применения инфракрасной визуализации с помощью счета фотонов, является важным направлением развития устройств счета фотонов и имеет широкие перспективы применения в астрономических наблюдениях, космической связи, активной и пассивной визуализации, отслеживании интерференционных полос и т. д.
Принцип подсчета фотонов в устройствах HgCdTe APD
Фотодетекторные устройства APD на основе материалов HgCdTe могут охватывать широкий диапазон длин волн, а коэффициенты ионизации электронов и дырок сильно различаются (см. Рисунок 1 (а)). Они демонстрируют механизм умножения одного носителя в пределах длины волны отсечки 1,3~11 мкм. Практически отсутствует избыточный шум (по сравнению с избыточным шумовым фактором FSi~2-3 устройств Si APD и FIII-V~4-5 устройств семейства III-V (см. Рисунок 1 (б)), так что отношение сигнал/шум устройств почти не уменьшается с увеличением усиления, что является идеальным инфракраснымлавинный фотодетектор.
РИС. 1 (а) Зависимость между отношением коэффициента ударной ионизации материала теллурида кадмия и компонента x Cd; (б) Сравнение избыточного коэффициента шума F устройств APD с различными системами материалов
Технология подсчета фотонов — это новая технология, которая позволяет в цифровом виде извлекать оптические сигналы из теплового шума путем разрешения фотоэлектронных импульсов, генерируемыхфотодетекторпосле получения одного фотона. Поскольку сигнал слабого света более рассеян во временной области, электрический сигнал, выдаваемый детектором, также является естественным и дискретным. В соответствии с этой характеристикой слабого света, для обнаружения крайне слабого света обычно используются методы усиления импульсов, дискриминации импульсов и цифрового подсчета. Современная технология подсчета фотонов имеет много преимуществ, таких как высокое отношение сигнал/шум, высокая дискриминация, высокая точность измерения, хороший антидрейф, хорошая временная стабильность и возможность вывода данных на компьютер в виде цифрового сигнала для последующего анализа и обработки, что не имеет себе равных среди других методов обнаружения. В настоящее время система подсчета фотонов широко используется в области промышленных измерений и обнаружения слабого света, таких как нелинейная оптика, молекулярная биология, спектроскопия сверхвысокого разрешения, астрономическая фотометрия, измерение загрязнения атмосферы и т. д., которые связаны с получением и обнаружением слабых световых сигналов. Лавинный фотодетектор на основе теллурида кадмия и ртути практически не имеет избыточного шума, с ростом усиления отношение сигнал/шум не уменьшается, а также отсутствуют мертвое время и ограничение по постимпульсу, характерные для лавинных счетчиков Гейгера, что очень удобно для применения в счете фотонов и является важным направлением развития приборов счета фотонов в будущем.
Время публикации: 14 января 2025 г.