Вступ, тип підрахунку фотонівлінійний лавинний фотоприймач
Технологія підрахунку фотонів може повністю посилити сигнал фотонів, щоб подолати шуми зчитування електронних пристроїв, і записати кількість фотонів, які випромінює детектор за певний період часу, використовуючи природні дискретні характеристики вихідного електричного сигналу детектора під слабким світловим опроміненням. , і розрахувати інформацію про виміряну ціль відповідно до значення вимірювача фотонів. Щоб реалізувати надзвичайно слабке виявлення світла, у різних країнах було вивчено багато різних типів приладів із можливістю виявлення 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, темновому підрахунку, енергоспоживанні, об’ємі та чутливості до магнітного поля тощо. Вчені провели дослідження на основі технології підрахунку фотонів твердотільного APD.
Фотоприймальний пристрій АПДмає два режими роботи в режимі Гейгера (GM) і лінійному режимі (LM), поточна технологія підрахунку 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 отримання високої точності часу. Однак APD режиму Гейгера має деякі проблеми, такі як мертвий час детектора, низька ефективність виявлення, великий оптичний кросворд і низька просторова роздільна здатність, тому важко оптимізувати протиріччя між високою швидкістю виявлення та низькою частотою помилкових тривог. Лічильники фотонів на основі майже безшумних пристроїв HgCdTe APD з високим коефіцієнтом посилення працюють у лінійному режимі, не мають мертвого часу та обмежень на перехресні перешкоди, не мають пост-імпульсу, пов’язаного з режимом Гейгера, не потребують ланцюгів гасіння, мають надвисокий динамічний діапазон, широкий і регульований діапазон спектрального відгуку, і може бути незалежно оптимізований для ефективності виявлення та швидкості помилкового рахунку. Це відкриває нову область застосування зображень із підрахунком фотонів у інфрачервоному діапазоні, є важливим напрямком розвитку пристроїв для підрахунку фотонів і має широкі перспективи застосування в астрономічних спостереженнях, зв’язку у вільному космосі, активних і пасивних зображеннях, відстеженні смуг тощо.
Принцип підрахунку фотонів у пристроях АПД HgCdTe
Фотодетектори APD на основі матеріалів HgCdTe можуть охоплювати широкий діапазон довжин хвиль, а коефіцієнти іонізації електронів і дірок дуже відрізняються (див. рис. 1 (a)). Вони демонструють один механізм розмноження несучої в межах довжини хвилі відсікання 1,3~11 мкм. Майже немає надлишкового шуму (порівняно з коефіцієнтом надлишкового шуму FSi~2-3 пристроїв Si APD і FIII-V~4-5 пристроїв сімейства III-V (див. рис. 1 (b)), так що сигнал- коефіцієнт шуму пристроїв майже не знижується зі збільшенням посилення, що є ідеальним інфрачервонимлавинний фотодетектор.
ФІГ. 1 (a) Зв’язок між коефіцієнтом ударної іонізації матеріалу телуриду ртуті, кадмію та компонента x Cd; (b) Порівняння коефіцієнта надлишкового шуму F пристроїв APD з різними матеріалами
Технологія підрахунку фотонів – це нова технологія, яка може цифровим способом виділяти оптичні сигнали з теплового шуму шляхом розділення фотоелектронних імпульсів, створенихфотодетекторпісля отримання одного фотона. Оскільки сигнал слабкого освітлення більш розсіяний у часовій області, вихід електричного сигналу детектора також є природним і дискретним. Відповідно до цієї характеристики слабкого світла, для виявлення надзвичайно слабкого світла зазвичай використовуються методи підсилення імпульсу, розрізнення імпульсу та цифрового підрахунку. Сучасна технологія підрахунку фотонів має багато переваг, таких як високе відношення сигнал/шум, висока дискримінація, висока точність вимірювань, хороший захист від дрейфу, хороша стабільність у часі, і може виводити дані на комп’ютер у формі цифрового сигналу для подальшого аналізу. і обробка, яка не має собі рівних з іншими методами виявлення. В даний час система підрахунку фотонів широко використовується в галузі промислових вимірювань і виявлення слабкого освітлення, таких як нелінійна оптика, молекулярна біологія, спектроскопія надвисокої роздільної здатності, астрономічна фотометрія, вимірювання забруднення атмосфери тощо, які пов’язані з цим. для отримання та виявлення слабких світлових сигналів. Лавинний фотодетектор із телуриду ртуті та кадмію майже не має надлишкового шуму, оскільки посилення збільшується, відношення сигнал/шум не спадає, і немає мертвого часу та постімпульсного обмеження, пов’язаного з лавинними пристроями Гейгера, що дуже підходить для застосування в підрахунку фотонів і є важливим напрямком розвитку пристроїв для підрахунку фотонів у майбутньому.
Час публікації: 14 січня 2025 р