Въведение, тип броене на фотонилинеен лавинен фотодетектор
Технологията за броене на фотони може напълно да усили фотонния сигнал, за да преодолее шума при отчитане на електронните устройства и да запише броя на фотоните, изведени от детектора за определен период от време, като използва естествените дискретни характеристики на изходния електрически сигнал на детектора при слабо светлинно облъчване и изчислете информацията за измерената цел според стойността на фотонния метър. За да се реализира изключително слабо откриване на светлина, в различни страни са изследвани много различни видове инструменти с възможност за откриване на фотони. Твърд лавинен фотодиод (APD фотодетектор) е устройство, което използва вътрешния фотоелектричен ефект за откриване на светлинни сигнали. В сравнение с вакуумните устройства, твърдотелните устройства имат очевидни предимства по отношение на скоростта на реакция, броя на тъмнината, консумацията на енергия, обема и чувствителността на магнитното поле и т.н. Учените са извършили изследвания, базирани на твърдотелна APD технология за преброяване на фотони.
APD фотодетекторно устройствоима два режима на работа в режим на Geiger (GM) и линеен режим (LM), текущата технология за изображения с броене на фотони APD използва главно APD устройство в режим на Geiger. APD устройствата в режим на Geiger имат висока чувствителност на ниво единичен фотон и висока скорост на реакция от десетки наносекунди за постигане на висока времева точност. Въпреки това APD в режим на Geiger има някои проблеми като мъртво време на детектора, ниска ефективност на откриване, голяма оптична кръстословица и ниска пространствена разделителна способност, така че е трудно да се оптимизира противоречието между висока степен на откриване и ниска честота на фалшиви аларми. Броячите на фотони, базирани на почти безшумни HgCdTe APD устройства с високо усилване, работят в линеен режим, нямат мъртво време и ограничения за кръстосани смущения, нямат пост-импулс, свързан с режима на Geiger, не изискват охлаждащи вериги, имат ултрависок динамичен диапазон, широк и регулируем диапазон на спектрален отговор и може да бъде независимо оптимизиран за ефективност на откриване и скорост на фалшиво броене. Той отваря ново поле за приложение на изображения с инфрачервено броене на фотони, е важна посока за развитие на устройства за броене на фотони и има широки перспективи за приложение в астрономическите наблюдения, комуникацията в свободното пространство, активните и пасивни изображения, проследяването на периферията и т.н.
Принцип на броене на фотони в HgCdTe APD устройства
APD фотодетекторните устройства, базирани на HgCdTe материали, могат да покриват широк диапазон от дължини на вълните, а йонизационните коефициенти на електрони и дупки са много различни (вижте Фигура 1 (a)). Те показват механизъм за умножаване на единичен носител в рамките на дължината на вълната на прекъсване от 1,3~11 µm. Няма почти никакъв излишен шум (в сравнение с фактора на излишния шум FSi~2-3 на Si APD устройства и FIII-V~4-5 на устройства от семейството III-V (вижте Фигура 1 (b)), така че сигналът- съотношението шум към устройствата почти не намалява с увеличаването на усилването, което е идеално инфрачервенолавинен фотодетектор.
Фиг. 1 (a) Връзка между съотношението на коефициента на ударна йонизация на материала живачно-кадмиев телурид и компонента x на Cd; (b) Сравнение на излишния шумов фактор F на APD устройства с различни материални системи
Технологията за броене на фотони е нова технология, която може цифрово да извлича оптични сигнали от термичен шум чрез разделяне на фотоелектронните импулси, генерирани отфотодетекторслед получаване на един фотон. Тъй като сигналът при слаба светлина е по-разпръснат във времевия домейн, изходният електрически сигнал от детектора също е естествен и дискретен. Съгласно тази характеристика на слабата светлина обикновено се използват техники за усилване на импулса, дискриминация на импулса и цифрово броене за откриване на изключително слаба светлина. Съвременната технология за броене на фотони има много предимства, като високо съотношение сигнал/шум, висока дискриминация, висока точност на измерване, добро анти-дрейф, добра времева стабилност и може да извежда данни към компютъра под формата на цифров сигнал за последващ анализ и обработка, която е несравнима с други методи за откриване. Понастоящем системата за броене на фотони се използва широко в областта на промишлените измервания и откриването при слаба светлина, като нелинейна оптика, молекулярна биология, спектроскопия с ултрависока разделителна способност, астрономическа фотометрия, измерване на атмосферно замърсяване и др., които са свързани за улавяне и откриване на слаби светлинни сигнали. Живачно-кадмиево-телуридният лавинен фотодетектор няма почти никакъв излишен шум, тъй като усилването се увеличава, съотношението сигнал/шум не се разпада и няма мъртво време и постимпулсно ограничение, свързано с лавинните устройства на Geiger, което е много подходящо за приложение при броене на фотони и е важна посока за развитие на устройства за броене на фотони в бъдеще.
Време на публикуване: 14 януари 2025 г