Uvod, vrsta štetja fotonovlinearni lavinski fotodetektor
Tehnologija štetja fotonov lahko v celoti ojača fotonski signal, da premaga šum odčitavanja elektronskih naprav, in zabeleži število fotonov, ki jih odda detektor v določenem časovnem obdobju, z uporabo naravnih diskretnih značilnosti izhodnega električnega signala detektorja pod šibkim svetlobnim obsevanjem. , in izračuna informacije o izmerjeni tarči glede na vrednost merilnika fotonov. Da bi uresničili izjemno šibko zaznavanje svetlobe, so v različnih državah proučevali veliko različnih vrst instrumentov z zmožnostjo zaznavanja fotonov. Polprevodniška lavinska fotodioda (APD fotodetektor) je naprava, ki uporablja notranji fotoelektrični učinek za zaznavanje svetlobnih signalov. V primerjavi z vakuumskimi napravami imajo polprevodniške naprave očitne prednosti pri odzivni hitrosti, temnem štetju, porabi energije, volumnu in občutljivosti na magnetno polje itd. Znanstveniki so izvedli raziskavo, ki temelji na tehnologiji polprevodniškega APD štetja fotonov.
APD fotodetektorska napravaima Geigerjev način (GM) in linearni način (LM) dva načina delovanja, trenutna tehnologija slikanja s štetjem fotonov APD uporablja predvsem napravo APD v Geigerjevem načinu. Naprave APD z Geigerjevim načinom imajo visoko občutljivost na ravni enega fotona in visoko hitrost odziva v desetinah nanosekund za doseganje visoke časovne natančnosti. Vendar ima APD v Geigerjevem načinu nekaj težav, kot so mrtvi čas detektorja, nizka učinkovitost zaznavanja, velika optična križanka in nizka prostorska ločljivost, zato je težko optimizirati protislovje med visoko stopnjo zaznave in nizko stopnjo lažnih alarmov. Fotonski števci, ki temeljijo na skoraj brezšumnih napravah HgCdTe APD z visokim ojačenjem, delujejo v linearnem načinu, nimajo omejitev mrtvega časa in preslušavanja, nimajo post-impulza, povezanega z Geigerjevim načinom, ne potrebujejo dušilnih vezij, imajo ultravisoko dinamično območje, širok in nastavljivo območje spektralnega odziva ter ga je mogoče neodvisno optimizirati za učinkovitost zaznavanja in stopnjo napačnega štetja. Odpira novo področje uporabe infrardečega slikanja s štetjem fotonov, je pomembna razvojna smer naprav za štetje fotonov in ima široke možnosti uporabe pri astronomskem opazovanju, komunikaciji v prostem vesolju, aktivnem in pasivnem slikanju, sledenju obrob in tako naprej.
Princip štetja fotonov v HgCdTe APD napravah
Fotodetektorske naprave APD, ki temeljijo na materialih HgCdTe, lahko pokrivajo širok razpon valovnih dolžin, ionizacijski koeficienti elektronov in lukenj pa so zelo različni (glej sliko 1 (a)). Imajo en sam nosilec multiplikacijskega mehanizma znotraj mejne valovne dolžine 1,3~11 µm. Presežnega šuma skoraj ni (v primerjavi s faktorjem presežnega šuma FSi~2-3 naprav Si APD in FIII-V~4-5 naprav družine III-V (glej sliko 1 (b)), tako da signal- Razmerje med šumom naprav skoraj ne upade s povečanjem ojačanja, kar je idealen infrardečilavinski fotodetektor.
FIG. 1 (a) Razmerje med razmerjem udarnega ionizacijskega koeficienta materiala živosrebrovega kadmijevega telurida in komponente x Cd; (b) Primerjava faktorja presežnega hrupa F naprav APD z različnimi materialnimi sistemi
Tehnologija štetja fotonov je nova tehnologija, ki lahko digitalno izloči optične signale iz toplotnega šuma z ločevanjem fotoelektronskih impulzov, ki jih ustvarifotodetektorpo prejemu enega samega fotona. Ker je signal pri šibki svetlobi bolj razpršen v časovni domeni, je tudi izhod električnega signala detektorja naraven in diskreten. Glede na to značilnost šibke svetlobe se za zaznavanje izredno šibke svetlobe običajno uporabljajo tehnike ojačanja impulza, diskriminacije impulza in digitalnega štetja. Sodobna tehnologija štetja fotonov ima veliko prednosti, kot so visoko razmerje med signalom in šumom, visoka diskriminacija, visoka merilna natančnost, dobra zaščita proti drsanju, dobra časovna stabilnost in lahko oddaja podatke v računalnik v obliki digitalnega signala za kasnejšo analizo in obdelavo, ki je neprimerljiva z drugimi metodami odkrivanja. Trenutno se sistem za štetje fotonov pogosto uporablja na področju industrijskih meritev in detekcije pri šibki svetlobi, kot so nelinearna optika, molekularna biologija, spektroskopija z ultra visoko ločljivostjo, astronomska fotometrija, merjenje onesnaženosti ozračja itd., ki so povezani za zaznavanje in zaznavanje šibkih svetlobnih signalov. Lavinski fotodetektor z živosrebrovim kadmijevim teluridom skoraj nima odvečnega šuma, saj se ojačanje poveča, razmerje med signalom in šumom ne upade ter ni omejitve mrtvega časa in post-pulza, povezane z napravami za plazove Geiger, kar je zelo primerno za uporaba pri štetju fotonov in je pomembna smer razvoja naprav za štetje fotonov v prihodnosti.
Čas objave: 14. januarja 2025