Введение, тип подсчета фотоновлинейный лавинный фотодетектор
Технология подсчета фотонов позволяет полностью усилить фотонный сигнал, преодолевая шум считывания электронных устройств, и регистрировать количество фотонов, выдаваемых детектором за определенный период времени, используя естественные дискретные характеристики выходного электрического сигнала детектора при слабом освещении, и вычислять информацию об измеряемой цели в соответствии со значением фотометра. Для реализации обнаружения чрезвычайно слабого света в разных странах были изучены различные типы приборов с возможностью обнаружения фотонов. Твердотельный лавинный фотодиод (Фотодетектор APDЭто устройство, использующее внутренний фотоэлектрический эффект для обнаружения световых сигналов. По сравнению с вакуумными устройствами, твердотельные устройства обладают очевидными преимуществами в скорости отклика, темновой глубине резкости, энергопотреблении, объеме и чувствительности к магнитному полю и т. д. Ученые проводят исследования на основе технологии визуализации с подсчетом фотонов с помощью твердотельных лавинных фотодиодов (APD).
Фотодетектор на основе лавинного фотодиода (APD)В современных технологиях подсчета фотонов с помощью лавинных фотодиодов (APD) используются два режима работы: режим Гейгера (GM) и линейный режим (LM). APD-устройства, работающие в режиме Гейгера, обладают высокой чувствительностью на уровне одиночных фотонов и высокой скоростью отклика в десятки наносекунд, что обеспечивает высокую точность по времени. Однако APD-устройства, работающие в режиме Гейгера, имеют ряд проблем, таких как мертвое время детектора, низкая эффективность обнаружения, большой оптический перекрестный шум и низкое пространственное разрешение, поэтому сложно оптимизировать противоречие между высокой скоростью обнаружения и низкой частотой ложных срабатываний. Фотосчетчики на основе почти бесшумных APD-устройств HgCdTe с высоким коэффициентом усиления работают в линейном режиме, не имеют мертвого времени и ограничений, связанных с перекрестными помехами, не имеют постимпульсов, связанных с режимом Гейгера, не требуют схем гашения, обладают сверхвысоким динамическим диапазоном, широким и настраиваемым диапазоном спектрального отклика и могут быть независимо оптимизированы по эффективности обнаружения и частоте ложных срабатываний. Это открывает новую область применения инфракрасной фотонно-счетной визуализации, является важным направлением развития фотонно-счетных устройств и имеет широкие перспективы применения в астрономических наблюдениях, космической связи, активной и пассивной визуализации, отслеживании интерференционных полос и так далее.
Принцип подсчета фотонов в устройствах на основе HgCdTe APD
Фотодетекторы на основе APD-материалов HgCdTe могут охватывать широкий диапазон длин волн, при этом коэффициенты ионизации электронов и дырок сильно различаются (см. рис. 1 (а)). Они демонстрируют механизм умножения одного носителя заряда в пределах граничной длины волны 1,3–11 мкм. Практически отсутствует избыточный шум (по сравнению с коэффициентом избыточного шума FSi~2–3 у кремниевых APD-устройств и FIII–V~4–5 у устройств семейства III–V (см. рис. 1 (б)), поэтому отношение сигнал/шум устройств практически не снижается с увеличением усиления, что делает их идеальными для инфракрасного диапазона.лавинный фотодетектор.
Рис. 1 (а) Зависимость отношения коэффициента ударной ионизации материала теллурида ртути-кадмия от компонента x Cd; (б) Сравнение коэффициента избыточного шума F устройств APD с различными материальными системами.
Технология подсчета фотонов — это новая технология, позволяющая в цифровом виде извлекать оптические сигналы из теплового шума путем анализа фотоэлектронных импульсов, генерируемыхфотодетекторПосле приема 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 чрезвычайно слабого света обычно используются методы усиления импульсов, дискриминации импульсов и цифрового подсчета. Современная технология подсчета фотонов обладает многими преимуществами, такими как высокое отношение сигнал/шум, высокая дискриминация, высокая точность измерения, хорошая устойчивость к дрейфу, хорошая временная стабильность, а также возможность вывода данных на компьютер в виде цифрового сигнала для последующего анализа и обработки, что недоступно другим методам 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 сигналов слабого света. Лавинный фотодетектор на основе теллурида ртути-кадмия практически не имеет избыточного шума, поскольку с увеличением коэффициента усиления отношение сигнал/шум не снижается, а также отсутствуют мертвое время и ограничения послеимпульсного воздействия, характерные для устройств с лавинным пробоем Гейгера, что делает его очень подходящим для применения в подсчете фотонов и является важным направлением развития устройств подсчета фотонов в будущем.
Дата публикации: 14 января 2025 г.