Вступ, тип підрахунку фотонівлінійний лавинний фотодетектор
Технологія підрахунку фотонів може повністю підсилити фотонний сигнал, щоб подолати шум зчитування електронних пристроїв, та записати кількість фотонів, що випромінюються детектором за певний період часу, використовуючи природні дискретні характеристики вихідного електричного сигналу детектора при слабкому світловому випромінюванні, та обчислити інформацію про вимірювану ціль відповідно до значення фотонметра. Для реалізації детектування надзвичайно слабкого світла в різних країнах було досліджено багато різних видів приладів з можливістю детектування фотонів. Твердотільний лавинний фотодіод (Фотодетектор APD) – це пристрій, який використовує внутрішній фотоелектричний ефект для виявлення світлових сигналів. Порівняно з вакуумними пристроями, твердотільні пристрої мають очевидні переваги у швидкості відгуку, підрахунку темряви, споживанні енергії, чутливості до об'єму та магнітного поля тощо. Вчені провели дослідження на основі технології візуалізації з підрахунком фотонів на твердотільному APD.
Фотодетекторний пристрій APDМаючи два робочих режими, режим Гейгера (GM) та лінійний режим (LM), сучасна технологія візуалізації з підрахунком фотонів APD в основному використовує пристрій APD в режимі Гейгера. Пристрої APD в режимі Гейгера мають високу чутливість на рівні одного фотона та високу швидкість відгуку в десятки наносекунд для досягнення високої точності часу. Однак, APD в режимі Гейгера має деякі проблеми, такі як мертвий час детектора, низька ефективність виявлення, великий оптичний кросворд та низька просторова роздільна здатність, тому важко оптимізувати протиріччя між високою швидкістю виявлення та низькою частотою хибних спрацьовувань. Лічильники фотонів на основі майже безшумних пристроїв APD з високим коефіцієнтом підсилення HgCdTe працюють у лінійному режимі, не мають обмежень щодо мертвого часу та перехресних перешкод, не мають постімпульсів, пов'язаних з режимом Гейгера, не потребують схем гасіння, мають надвисокий динамічний діапазон, широкий та настроюваний спектральний діапазон відгуку, а також можуть бути незалежно оптимізовані для ефективності виявлення та частоти хибних спрацьовувань. Це відкриває нову галузь застосування інфрачервоної лічильної томографії, є важливим напрямком розвитку пристроїв для лічильної томографії фотонів і має широкі перспективи застосування в астрономічних спостереженнях, зв'язку у вільному просторі, активній та пасивній візуалізації, відстеженні інтервалів тощо.
Принцип підрахунку фотонів у пристроях HgCdTe APD
Фотодетекторні пристрої APD на основі матеріалів HgCdTe можуть охоплювати широкий діапазон довжин хвиль, а коефіцієнти іонізації електронів та дірок дуже різні (див. Рисунок 1 (a)). Вони демонструють механізм множення одного носія в межах граничної довжини хвилі 1,3~11 мкм. Надлишковий шум майже відсутній (порівняно з коефіцієнтом надлишкового шуму FSi~2-3 для Si APD-пристроїв та FIII-V~4-5 для пристроїв сімейства III-V (див. Рисунок 1 (b)), так що співвідношення сигнал/шум пристроїв майже не зменшується зі збільшенням коефіцієнта посилення, що є ідеальним інфрачервоним випромінюванням.лавинний фотодетектор.
РИС. 1 (a) Зв'язок між співвідношенням коефіцієнта ударної іонізації матеріалу телуриду ртуті кадмію та компонентом x Cd; (b) Порівняння коефіцієнта надлишкового шуму F пристроїв лавинного фотодіода (ЛФД) з різними матеріальними системами
Технологія підрахунку фотонів — це нова технологія, яка може цифровим способом витягувати оптичні сигнали з теплового шуму шляхом розділення фотоелектронних імпульсів, що генеруються...фотодетекторпісля отримання одного фотона. Оскільки сигнал слабкого освітлення більш розсіяний у часовій області, електричний сигнал, що виводиться детектором, також є природним та дискретним. Відповідно до цієї характеристики слабкого світла, для виявлення надзвичайно слабкого світла зазвичай використовуються методи імпульсного підсилення, імпульсної дискримінації та цифрового підрахунку. Сучасна технологія підрахунку фотонів має багато переваг, таких як високе співвідношення сигнал/шум, висока дискримінація, висока точність вимірювання, хороший захист від дрейфу, хороша часова стабільність, а також може виводити дані на комп'ютер у вигляді цифрового сигналу для подальшого аналізу та обробки, що не має аналогів у інших методах виявлення. Наразі система підрахунку фотонів широко використовується в галузі промислових вимірювань та виявлення слабкого освітлення, таких як нелінійна оптика, молекулярна біологія, спектроскопія надвисокої роздільної здатності, астрономічна фотометрія, вимірювання забруднення атмосфери тощо, що пов'язано з отриманням та виявленням слабких світлових сигналів. Лавинний фотодетектор на основі ртуті та кадмію телуриду практично не має надлишкового шуму, зі збільшенням коефіцієнта підсилення співвідношення сигнал/шум не зменшується, і немає мертвого часу та постімпульсних обмежень, пов'язаних з лавинними пристроями Гейгера, що дуже підходить для застосування в підрахунку фотонів і є важливим напрямком розвитку пристроїв підрахунку фотонів у майбутньому.
Час публікації: 14 січня 2025 р.