Wprowadzenie, rodzaj zliczania fotonówliniowy fotodetektor lawinowy
Technologia zliczania fotonów może w pełni wzmocnić sygnał fotonu, aby przezwyciężyć szum odczytu urządzeń elektronicznych i zarejestrować liczbę fotonów emitowanych przez detektor w określonym przedziale czasu, wykorzystując naturalną dyskretną charakterystykę wyjściowego sygnału elektrycznego detektora przy napromieniowaniu słabym światłem i obliczyć informacje o mierzonym celu zgodnie z wartością miernika fotonów. Aby możliwe było wykrywanie wyjątkowo słabego światła, w różnych krajach badano wiele różnych instrumentów umożliwiających wykrywanie fotonów. Półprzewodnikowa fotodioda lawinowa (Fotodetektor APD) to urządzenie wykorzystujące wewnętrzny efekt fotoelektryczny do wykrywania sygnałów świetlnych. W porównaniu z urządzeniami próżniowymi urządzenia półprzewodnikowe mają oczywiste zalety w zakresie szybkości reakcji, zliczania ciemności, zużycia energii, objętości i czułości na pole magnetyczne itp. Naukowcy przeprowadzili badania w oparciu o technologię obrazowania zliczania fotonów w półprzewodniku APD.
Urządzenie fotodetektorowe APDma tryb Geigera (GM) i tryb liniowy (LM) dwa tryby pracy, obecna technologia obrazowania zliczania fotonów APD wykorzystuje głównie urządzenie APD w trybie Geigera. Urządzenia APD działające w trybie Geigera charakteryzują się dużą czułością na poziomie pojedynczego fotonu i dużą szybkością reakcji rzędu kilkudziesięciu nanosekund, aby uzyskać dużą dokładność czasową. Jednakże APD w trybie Geigera ma pewne problemy, takie jak czas martwy detektora, niska skuteczność detekcji, duże krzyżówki optyczne i niska rozdzielczość przestrzenna, dlatego trudno jest zoptymalizować sprzeczność pomiędzy wysokim współczynnikiem wykrywalności i niskim współczynnikiem fałszywych alarmów. Liczniki fotonów oparte na niemal bezszumowych urządzeniach HgCdTe APD o dużym wzmocnieniu działają w trybie liniowym, nie mają ograniczeń dotyczących czasu martwego i przesłuchu, nie mają impulsu końcowego związanego z trybem Geigera, nie wymagają obwodów gaszących, mają bardzo wysoki zakres dynamiki, szeroki i przestrajalny zakres odpowiedzi widmowej, a także można go niezależnie optymalizować pod kątem wydajności wykrywania i współczynnika fałszywych zliczeń. Otwiera nowe pole zastosowań obrazowania zliczającego fotony w podczerwieni, jest ważnym kierunkiem rozwoju urządzeń zliczających fotony i ma szerokie perspektywy zastosowania w obserwacjach astronomicznych, komunikacji kosmicznej, obrazowaniu aktywnym i pasywnym, śledzeniu prążków i tak dalej.
Zasada zliczania fotonów w urządzeniach APD HgCdTe
Urządzenia fotodetektorowe APD oparte na materiałach HgCdTe mogą pokrywać szeroki zakres długości fal, a współczynniki jonizacji elektronów i dziur są bardzo różne (patrz rysunek 1 (a)). Wykazują mechanizm zwielokrotniania pojedynczego nośnika w zakresie długości fali odcięcia 1,3 ~ 11 µm. Prawie nie ma nadmiernego szumu (w porównaniu ze współczynnikiem nadmiaru szumu FSi~2-3 urządzeń Si APD i FIII-V~4-5 urządzeń rodziny III-V (patrz rysunek 1 (b)), więc sygnał- Stosunek szumu urządzeń prawie nie maleje wraz ze wzrostem wzmocnienia, czyli idealnej podczerwienifotodetektor lawinowy.
FIGA. 1 (a) Zależność pomiędzy współczynnikiem jonizacji udarowej materiału tellurku rtęciowo-kadmowego i składnika x Cd; (b) Porównanie współczynnika nadmiernego szumu F urządzeń APD z różnymi systemami materiałowymi
Technologia zliczania fotonów to nowa technologia, która umożliwia cyfrową ekstrakcję sygnałów optycznych z szumu termicznego poprzez rozdzielenie impulsów fotoelektronów generowanych przezfotodetektorpo otrzymaniu pojedynczego fotonu. Ponieważ sygnał słabego oświetlenia jest bardziej rozproszony w dziedzinie czasu, sygnał elektryczny wysyłany przez detektor jest również naturalny i dyskretny. Zgodnie z tą cechą słabego światła, do wykrywania wyjątkowo słabego światła zwykle stosuje się techniki wzmacniania impulsów, rozróżniania impulsów i liczenia cyfrowego. Nowoczesna technologia zliczania fotonów ma wiele zalet, takich jak wysoki stosunek sygnału do szumu, wysoka dyskryminacja, wysoka dokładność pomiaru, dobra ochrona przed dryfem, dobra stabilność czasowa i może wyprowadzać dane do komputera w postaci sygnału cyfrowego do późniejszej analizy i przetwarzania, które nie mają sobie równych w przypadku innych metod wykrywania. Obecnie system zliczania fotonów jest szeroko stosowany w dziedzinie pomiarów przemysłowych i wykrywania słabego oświetlenia, takich jak optyka nieliniowa, biologia molekularna, spektroskopia o ultrawysokiej rozdzielczości, fotometria astronomiczna, pomiar zanieczyszczeń atmosfery itp., które są powiązane do wykrywania i wykrywania słabych sygnałów świetlnych. Fotodetektor lawinowy z tellurku rtęciowo-kadmowego prawie nie wytwarza nadmiernego szumu, wraz ze wzrostem wzmocnienia stosunek sygnału do szumu nie maleje i nie ma ograniczeń związanych z czasem martwym i po impulsie w przypadku urządzeń lawinowych Geigera, co jest bardzo odpowiednie dla zastosowania w zliczaniu fotonów i stanowi ważny kierunek rozwoju urządzeń zliczających fotony w przyszłości.
Czas publikacji: 14 stycznia 2025 r