Introducere, tipul de numărare a fotonilorfotodetector liniar de avalanșă
Tehnologia de numărare a fotonilor poate amplifica complet semnalul fotonic pentru a depăși zgomotul de citire al dispozitivelor electronice și poate înregistra numărul de fotoni emisi de detector într-o anumită perioadă de timp, utilizând caracteristicile discrete naturale ale semnalului electric de ieșire al detectorului în condiții de iradiere cu lumină slabă, și poate calcula informațiile despre ținta măsurată în funcție de valoarea fotometrului. Pentru a realiza o detectare a luminii extrem de slabe, în diverse țări au fost studiate multe tipuri diferite de instrumente cu capacitate de detectare a fotonilor. O fotodiodă de avalanșă în stare solidă (Fotodetector APD) este un dispozitiv care utilizează efectul fotoelectric intern pentru a detecta semnalele luminoase. Comparativ cu dispozitivele cu vid, dispozitivele în stare solidă au avantaje evidente în ceea ce privește viteza de răspuns, numărarea de fotoni întunecați, consumul de energie, volumul și sensibilitatea câmpului magnetic etc. Oamenii de știință au efectuat cercetări bazate pe tehnologia de imagistică prin numărarea fotonilor APD în stare solidă.
Dispozitiv fotodetector APDAvând două moduri de lucru în modul Geiger (GM) și modul liniar (LM), tehnologia actuală de imagistică pentru numărarea fotonilor APD utilizează în principal un dispozitiv APD în modul Geiger. Dispozitivele APD în modul Geiger au o sensibilitate ridicată la nivelul unui singur foton și o viteză de răspuns mare de zeci de nanosecunde pentru a obține o precizie temporală ridicată. Cu toate acestea, APD în modul Geiger prezintă unele probleme, cum ar fi timpul mort al detectorului, eficiența scăzută de detecție, cuvintele încrucișate optice mari și rezoluția spațială scăzută, astfel încât este dificil să se optimizeze contradicția dintre rata mare de detecție și rata scăzută de alarmă falsă. Contorii de fotoni bazați pe dispozitive APD HgCdTe cu câștig mare aproape silențios funcționează în mod liniar, nu au restricții de timp mort și diafonie, nu au post-impuls asociat cu modul Geiger, nu necesită circuite de stingere, au o gamă dinamică ultra-înaltă, o gamă de răspuns spectral largă și reglabilă și pot fi optimizați independent pentru eficiența detecției și rata de numărare falsă. Deschide un nou domeniu de aplicare al imagisticii prin numărare a fotonilor în infraroșu, reprezintă o direcție importantă de dezvoltare a dispozitivelor de numărare a fotonilor și are perspective largi de aplicare în observarea astronomică, comunicarea în spațiu liber, imagistica activă și pasivă, urmărirea franjurilor și așa mai departe.
Principiul numărării fotonilor în dispozitivele APD cu HgCdTe
Dispozitivele fotodetectoare APD bazate pe materiale HgCdTe pot acoperi o gamă largă de lungimi de undă, iar coeficienții de ionizare ai electronilor și golurilor sunt foarte diferiți (vezi Figura 1 (a)). Acestea prezintă un mecanism de multiplicare a purtătorului unic în cadrul lungimii de undă de delimitare de 1,3~11 µm. Nu există aproape niciun zgomot în exces (comparativ cu factorul de zgomot în exces FSi~2-3 al dispozitivelor APD Si și FIII-V~4-5 al dispozitivelor din familia III-V (vezi Figura 1 (b)), astfel încât raportul semnal-zgomot al dispozitivelor aproape că nu scade odată cu creșterea câștigului, ceea ce reprezintă un spectru de frecvență ideal în infraroșu.fotodetector de avalanșă.
FIG. 1 (a) Relația dintre raportul coeficientului de ionizare la impact al materialului telurură de mercur-cadmiu și componenta x a Cd; (b) Comparație a factorului de zgomot excesiv F al dispozitivelor APD cu diferite sisteme de materiale
Tehnologia de numărare a fotonilor este o tehnologie nouă care poate extrage digital semnale optice din zgomotul termic prin rezolvarea impulsurilor fotoelectronice generate de...fotodetectordupă recepționarea unui singur foton. Deoarece semnalul de lumină slabă este mai dispersat în domeniul timpului, semnalul electric emis de detector este, de asemenea, natural și discret. Conform acestei caracteristici a luminii slabe, tehnicile de amplificare a impulsurilor, discriminare a impulsurilor și numărare digitală sunt de obicei utilizate pentru a detecta lumina extrem de slabă. Tehnologia modernă de numărare a fotonilor are multe avantaje, cum ar fi raportul semnal-zgomot ridicat, discriminare ridicată, precizie ridicată a măsurătorilor, anti-drift bun, stabilitate bună în timp și poate transmite date către computer sub formă de semnal digital pentru analiză și procesare ulterioară, ceea ce este de neegalat de alte metode de detectare. În prezent, sistemul de numărare a fotonilor a fost utilizat pe scară largă în domeniul măsurătorilor industriale și al detectării în lumină slabă, cum ar fi optica neliniară, biologia moleculară, spectroscopia de ultra-înaltă rezoluție, fotometria astronomică, măsurarea poluării atmosferice etc., care sunt legate de achiziția și detectarea semnalelor luminoase slabe. Fotodetectorul de avalanșă cu telurură de mercur și cadmiu aproape că nu are zgomot excesiv, pe măsură ce câștigul crește, raportul semnal-zgomot nu scade și nu există timp mort și restricții post-impuls legate de dispozitivele de avalanșă Geiger, ceea ce este foarte potrivit pentru aplicații în numărarea fotonilor și reprezintă o direcție importantă de dezvoltare a dispozitivelor de numărare a fotonilor în viitor.
Data publicării: 14 ian. 2025