Введение, тип счета фотоновлинейный лавинный фотодетектор
Технология счёта фотонов позволяет полностью усилить фотонный сигнал, преодолевая шум считывания электронных устройств, и регистрировать количество фотонов, испускаемых детектором за определённый период времени, используя естественные дискретные характеристики выходного электрического сигнала детектора при слабом световом облучении, а также вычислять информацию об измеряемом объекте в соответствии со значением фотометра. Для реализации обнаружения крайне слабого света в разных странах были проведены исследования различных приборов с возможностью регистрации фотонов. Твердотельный лавинный фотодиод (Фотодетектор APD) — это устройство, использующее внутренний фотоэффект для регистрации световых сигналов. По сравнению с вакуумными устройствами, твердотельные устройства обладают очевидными преимуществами в скорости отклика, темновом счёте, энергопотреблении, чувствительности к объёму и магнитному полю и т. д. Учёные провели исследования, основанные на технологии визуализации с помощью счёта фотонов на твердотельных APD.
Фотодетекторное 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 одиночных фотонов и высокой скоростью отклика в десятки наносекунд для получения высокой временной точности. 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 трудно оптимизировать противоречие между высокой скоростью обнаружения и низкой частотой ложных срабатываний. 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. Это 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 счета фотонов в устройствах лавинного фотодиода на основе HgCdTe
Фотоприёмные устройства лавинного фотодиода (ЛФД) на основе материалов HgCdTe могут охватывать широкий диапазон длин волн, при этом коэффициенты ионизации электронов и дырок сильно различаются (см. рисунок 1 (а)). Они демонстрируют механизм умножения одной несущей в диапазоне граничной длины волны 1,3–11 мкм. Избыточный шум практически отсутствует (по сравнению с избыточным шум-фактором FSi~2-3 для кремниевых ЛФД и FIII-V~4-5 для приборов семейства III-V (см. рисунок 1 (б)), поэтому отношение сигнал/шум устройств практически не снижается с ростом усиления, что является идеальным инфракраснымлавинный фотодетектор.
Рис. 1 (а) Зависимость между отношением коэффициентов ударной ионизации материала теллурида кадмия и компонентом x Cd; (б) Сравнение избыточного коэффициента шума F устройств APD с различными системами материалов
Технология счета фотонов – это новая технология, которая позволяет в цифровом виде извлекать оптические сигналы из теплового шума, разделяя фотоэлектронные импульсы, генерируемыефотодетекторПосле получения одного фотона. Поскольку сигнал при слабой освещенности более рассеян во временной области, электрический сигнал на выходе детектора 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 счета. Современная технология счета фотонов обладает множеством 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 счета фотонов широко используется в области промышленных измерений и обнаружения при слабой освещенности, 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 коэффициента усиления отношение сигнал/шум не уменьшается, а также отсутствуют ограничения по мертвому времени и постимпульсу, присущие лавинным счетчикам 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.