Wprowadzenie, typ zliczania fotonówliniowy fotodetektor lawinowy
Technologia zliczania fotonów może w pełni wzmocnić sygnał fotonowy, aby pokonać szum odczytu urządzeń elektronicznych, i zarejestrować liczbę fotonów wyjściowych przez detektor w określonym okresie czasu, wykorzystując naturalne dyskretne charakterystyki wyjściowego sygnału elektrycznego detektora przy słabym napromieniowaniu światłem, i obliczyć informacje o mierzonym celu zgodnie z wartością miernika fotonów. Aby zrealizować wykrywanie ekstremalnie słabego światła, w różnych krajach badano wiele różnych rodzajów instrumentów z możliwością wykrywania fotonów. Fotodioda lawinowa w stanie stałym (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 ciemnych fragmentów, zużycia energii, głośności i czułości pola magnetycznego itp. Naukowcy przeprowadzili badania w oparciu o technologię obrazowania zliczania fotonów APD w stanie stałym.
Urządzenie fotodetektora APDma dwa tryby pracy Geigera (GM) i tryb liniowy (LM), obecna technologia obrazowania zliczania fotonów APD wykorzystuje głównie urządzenie APD w trybie Geigera. Urządzenia APD w trybie Geigera mają wysoką czułość na poziomie pojedynczego fotonu i wysoką prędkość reakcji rzędu dziesiątek nanosekund, aby uzyskać wysoką dokładność czasową. Jednak APD w trybie Geigera ma pewne problemy, takie jak martwy czas detektora, niska wydajność wykrywania, duża krzyżówka optyczna i niska rozdzielczość przestrzenna, więc trudno jest zoptymalizować sprzeczność między wysokim współczynnikiem wykrywania a niskim współczynnikiem 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 końcowego 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 wykrywania i współczynnika fałszywych zliczeń. Otwiera ona nowe pole zastosowań obrazowania metodą zliczania fotonów w podczerwieni, jest ważnym kierunkiem 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 HgCdTe APD
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 pojedynczy mechanizm mnożenia nośników w zakresie długości fali odcięcia 1,3~11 µm. Nie ma prawie żadnego nadmiarowego szumu (w porównaniu ze współczynnikiem nadmiarowego szumu FSi~2-3 urządzeń Si APD i FIII-V~4-5 urządzeń rodziny III-V (patrz Rysunek 1 (b)), tak że stosunek sygnału do szumu urządzeń prawie nie spada wraz ze wzrostem wzmocnienia, co jest idealnym podczerwonymfotodetektor lawinowy.
FIG. 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 fotoelektronowych 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 wzmacnianie impulsów, rozróżnianie impulsów i techniki 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 i może wyprowadzać dane do komputera w postaci sygnału cyfrowego w celu późniejszej analizy i przetwarzania, co jest niezrównane w przypadku innych metod wykrywania. Obecnie system zliczania fotonów jest szeroko stosowany w dziedzinie pomiarów przemysłowych i wykrywania słabego światła, takich jak optyka nieliniowa, biologia molekularna, spektroskopia o ultrawysokiej rozdzielczości, fotometria astronomiczna, pomiar zanieczyszczeń atmosferycznych itp., które są związane z pozyskiwaniem i wykrywaniem słabych sygnałów świetlnych. Fotodetektor lawinowy z tellurku kadmu i rtęci prawie nie ma 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 on bardzo przydatny do zastosowań w zliczaniu fotonów i stanowi ważny kierunek rozwoju urządzeń do zliczania fotonów w przyszłości.
Czas publikacji: 14-01-2025