Uvod, vrsta štetja fotonovlinearni plazovni fotodetektor
Tehnologija štetja fotonov lahko v celoti ojača fotonski signal in premaga šum odčitavanja elektronskih naprav, ter zabeleži število fotonov, ki jih detektor odda v določenem časovnem obdobju, z uporabo naravnih diskretnih značilnosti izhodnega električnega signala detektorja pri šibkem svetlobnem obsevanju in izračuna informacije o izmerjeni tarči glede na vrednost fotometra. Da bi dosegli zaznavanje izjemno šibke svetlobe, so v različnih državah preučevali številne različne vrste instrumentov z zmogljivostjo zaznavanja fotonov. Polprevodniška lavinska fotodioda (APD fotodetektor) je naprava, ki uporablja notranji fotoelektrični učinek za zaznavanje svetlobnih signalov. V primerjavi z vakuumskimi napravami imajo trdne naprave očitne prednosti v hitrosti odziva, številu temnih žarkov, porabi energije, občutljivosti na prostornino in magnetno polje itd. Znanstveniki so izvedli raziskave, ki temeljijo na tehnologiji slikanja s štetjem fotonov trdne snovi APD.
APD fotodetektorska napravaČeprav ima Geigerjev način (GM) in linearni način (LM) dva načina delovanja, trenutna tehnologija slikanja s štetjem fotonov APD v glavnem uporablja Geigerjev način APD. Geigerjevi načini APD imajo visoko občutljivost na ravni posameznega fotona in visoko odzivno hitrost več deset nanosekund, kar zagotavlja visoko časovno natančnost. Vendar pa ima Geigerjev način APD 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 zaznavanja in nizko stopnjo lažnih alarmov. Števci fotonov, ki temeljijo na skoraj brezšumnih HgCdTe APD napravah z visokim ojačanjem, delujejo v linearnem načinu, nimajo omejitev glede mrtvega časa in presluha, nimajo naknadnega impulza, povezanega z Geigerjevim načinom, ne potrebujejo vezij za dušenje, imajo ultra visok dinamični razpon, široko in nastavljivo spektralno odzivno območje ter jih je mogoče neodvisno optimizirati za učinkovitost zaznavanja in stopnjo lažnega štetja. Odpira novo področje uporabe infrardečega slikanja s štetjem fotonov, je pomembna razvojna smer naprav za štetje fotonov in ima široke možnosti uporabe v astronomskem opazovanju, komunikaciji v prostem prostoru, aktivnem in pasivnem slikanju, sledenju robov in tako naprej.
Načelo štetja fotonov v napravah HgCdTe APD
APD fotodetektorske naprave na osnovi materialov HgCdTe lahko pokrivajo širok razpon valovnih dolžin, ionizacijski koeficienti elektronov in vrzeli pa so zelo različni (glej sliko 1 (a)). Kažejo mehanizem množenja enega nosilca znotraj mejne valovne dolžine 1,3~11 µm. Skoraj ni presežnega šuma (v primerjavi s faktorjem presežnega šuma FSi~2-3 pri Si APD napravah in FIII-V~4-5 pri napravah družine III-V (glej sliko 1 (b)), tako da se razmerje signal/šum naprav skoraj ne zmanjšuje z naraščanjem ojačanja, kar je idealno za infrardeče območje.plazovni fotodetektor.
SLIKA 1 (a) Razmerje med razmerjem koeficienta udarne ionizacije živosrebrnega kadmijevega telurida in komponento x Cd; (b) Primerjava faktorja presežnega šuma F naprav APD z različnimi materialnimi sistemi
Tehnologija štetja fotonov je nova tehnologija, ki lahko digitalno izlušči optične signale iz toplotnega šuma z ločevanjem fotoelektronskih impulzov, ki jih ustvarifotodetektorpo prejemu enega samega fotona. Ker je signal šibke svetlobe v časovni domeni bolj razpršen, je tudi električni signal, ki ga oddaja detektor, naraven in diskreten. Glede na to značilnost šibke svetlobe se za zaznavanje izjemno šibke svetlobe običajno uporabljajo tehnike ojačanja impulzov, diskriminacije impulzov in digitalnega štetja. Sodobna tehnologija štetja fotonov ima številne prednosti, kot so visoko razmerje signal/šum, visoka diskriminacija, visoka natančnost meritev, dobro preprečevanje odnašanja, dobra časovna stabilnost in omogoča prenos podatkov v računalnik v obliki digitalnega signala za nadaljnjo analizo in obdelavo, kar je neprimerljivo z drugimi metodami zaznavanja. Trenutno se sistem štetja fotonov pogosto uporablja na področju industrijskih meritev in zaznavanja šibke svetlobe, kot so nelinearna optika, molekularna biologija, spektroskopija ultra visoke ločljivosti, astronomska fotometrija, merjenje onesnaženosti ozračja itd., ki so povezani z zajemom in zaznavanjem šibkih svetlobnih signalov. Plazovni fotodetektor živosrebrnega kadmijevega telurida skoraj nima odvečnega šuma, saj se z naraščanjem ojačanja razmerje signal/šum ne zmanjšuje in ni mrtvega časa ter omejitev po impulzu, povezanih z Geigerjevimi plazovitimi napravami, kar je zelo primerno za uporabo pri štetju fotonov in je pomembna smer razvoja naprav za štetje fotonov v prihodnosti.
Čas objave: 14. januar 2025