Wprowadzenie, typ zliczania fotonówliniowy fotodetektor lawinowy
Technologia zliczania fotonów pozwala na pełne wzmocnienie sygnału fotonowego, aby przezwyciężyć szum odczytu urządzeń elektronicznych, a także rejestruje liczbę fotonów emitowanych przez detektor w określonym czasie, wykorzystując naturalne, dyskretne charakterystyki wyjściowego sygnału elektrycznego detektora przy słabym naświetleniu, i oblicza informacje o mierzonym obiekcie na podstawie wartości zmierzonej przez fotonometr. Aby umożliwić detekcję skrajnie słabego światła, w różnych krajach badano wiele różnych rodzajów instrumentów z funkcją detekcji 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 pod względem szybkości reakcji, zliczania ciemnych impulsów, poboru mocy, głośności i czułości na pole magnetyczne itp. Naukowcy przeprowadzili badania w oparciu o technologię obrazowania zliczania fotonów APD w ciele stałym.
Urządzenie fotodetektora APDPosiada dwa tryby pracy: Geiger (GM) i liniowy (LM). Obecna technologia obrazowania zliczania fotonów APD wykorzystuje głównie urządzenia APD w trybie Geigera. Urządzenia APD w trybie Geigera charakteryzują się wysoką czułością na poziomie pojedynczego fotonu i szybkością reakcji rzędu dziesiątek nanosekund, co pozwala na uzyskanie wysokiej dokładności czasowej. Jednakże, APD w trybie Geigera ma pewne problemy, takie jak czas martwy detektora, niska wydajność detekcji, duża krzyżówka optyczna i niska rozdzielczość przestrzenna, przez co trudno jest zoptymalizować sprzeczność między wysokim wskaźnikiem detekcji a niskim wskaźnikiem fałszywych alarmów. Liczniki fotonów oparte na niemal bezszumowych urządzeniach APD HgCdTe o wysokim wzmocnieniu działają w trybie liniowym, nie mają ograniczeń czasu martwego i przesłuchu, nie mają impulsu po zakończeniu impulsu związanego z trybem Geigera, nie wymagają obwodów wygaszania, mają ultrawysoki zakres dynamiki, szeroki i dostrajalny zakres odpowiedzi widmowej i mogą być niezależnie optymalizowane pod kątem wydajności detekcji i wskaźnika fałszywych zliczeń. Otwiera ona nowe pole zastosowań obrazowania zliczającego fotony w podczerwieni, stanowi ważny kierunek rozwoju urządzeń do zliczania fotonów i ma szerokie perspektywy zastosowania w obserwacjach astronomicznych, komunikacji w wolnej przestrzeni kosmicznej, obrazowaniu aktywnym i pasywnym, śledzeniu prążków itd.
Zasada zliczania fotonów w urządzeniach APD HgCdTe
Urządzenia fotodetektorów APD oparte na materiałach HgCdTe mogą obejmować szeroki zakres długości fal, a współczynniki jonizacji elektronów i dziur są bardzo różne (patrz rysunek 1 (a)). Wykazują one mechanizm mnożenia pojedynczych nośników w zakresie długości fali odcięcia 1,3–11 µm. Nie występuje prawie żaden nadmiarowy szum (w porównaniu ze współczynnikiem nadmiarowego szumu FSi~2-3 w urządzeniach Si APD i FIII-V~4-5 w urządzeniach z rodziny III-V (patrz rysunek 1 (b)), dzięki czemu stosunek sygnału do szumu tych urządzeń praktycznie nie spada wraz ze wzrostem wzmocnienia, co jest idealnym parametrem dla podczerwieni.fotodetektor lawinowy.
Rys. 1 (a) Zależność między współczynnikiem jonizacji uderzeniowej materiału tellurku rtęci i kadmu a składnikiem x Cd; (b) Porównanie współczynnika szumu nadmiarowego 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 światła jest bardziej rozproszony w dziedzinie czasu, sygnał elektryczny wyjściowy detektora jest również naturalny i dyskretny. Zgodnie z tą cechą słabego światła, do wykrywania ekstremalnie słabego światła zwykle stosuje się techniki wzmacniania impulsów, dyskryminacji impulsów i zliczania cyfrowego. Nowoczesna technologia zliczania fotonów ma wiele zalet, takich jak wysoki stosunek sygnału do szumu, wysoka dyskryminacja, wysoka dokładność pomiaru, dobra odporność na dryft, dobra stabilność czasowa, a także możliwość przesyłania danych do komputera w postaci sygnału cyfrowego do późniejszej analizy i przetwarzania, co jest nieporównywalne z innymi metodami detekcji. Obecnie system zliczania fotonów jest szeroko stosowany w dziedzinie pomiarów przemysłowych i detekcji słabego światła, takich jak optyka nieliniowa, biologia molekularna, spektroskopia o ultrawysokiej rozdzielczości, fotometria astronomiczna, pomiary zanieczyszczeń atmosfery itp., które są związane z akwizycją i detekcją słabych sygnałów świetlnych. Fotodetektor lawinowy z tellurku rtęci i kadmu nie ma prawie żadnego nadmiarowego szumu, ponieważ wraz ze wzrostem wzmocnienia stosunek sygnału do szumu nie maleje, nie ma też czasu martwego ani ograniczeń poimpulsowych, charakterystycznych dla urządzeń lawinowych Geigera. Dzięki temu jest bardzo przydatny do zastosowań w zliczaniu fotonów i stanowi ważny kierunek rozwoju urządzeń do zliczania fotonów w przyszłości.
Czas publikacji: 14-01-2025