Въведение, тип броене на фотонилинеен лавинов фотодетектор
Технологията за броене на фотони може напълно да усили фотонния сигнал, за да преодолее шума от отчитането на електронни устройства, и да запише броя на фотоните, излъчени от детектора за определен период от време, като използва естествените дискретни характеристики на изходния електрически сигнал на детектора при слабо светлинно облъчване, и да изчисли информацията за измерената цел според стойността на фотонния измервател. За да се реализира детекция на изключително слаба светлина, в различни страни са изследвани много различни видове инструменти с възможност за детекция на фотони. Твърдотелен 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 тъмнините, консумацията на енергия, обема и чувствителността към магнитно поле и др. Учените са провели изследвания, базирани на технологията за броене на фотони с твърдотелен APD.
APD фотодетекторно устройствоВъпреки че има два работни режима, режим на Geiger (GM) и линеен режим (LM), настоящата технология за изобразяване с фотонно броене APD използва главно APD устройство в режим Geiger. APD устройствата в режим Geiger имат висока чувствителност на ниво единичен фотон и висока скорост на реакция от десетки наносекунди, за да се постигне висока точност във времето. APD в режим Geiger обаче има някои проблеми, като например мъртво време на детектора, ниска ефективност на откриване, голям оптичен диапазон и ниска пространствена резолюция, така че е трудно да се оптимизира противоречието между високия процент на откриване и ниския процент на фалшиви аларми. Фотонните броячи, базирани на почти безшумни HgCdTe APD устройства с висок коефициент на усилване, работят в линеен режим, нямат ограничения за мъртво време и кръстосани смущения, нямат пост-импулс, свързан с режима на Geiger, не изискват схеми за гашене, имат ултрависок динамичен диапазон, широк и регулируем спектрален диапазон на реакция и могат да бъдат независимо оптимизирани за ефективност на откриване и процент на фалшиво броене. Това открива ново поле за приложение на инфрачервеното фотонно броене, е важна насока за развитие на устройствата за фотонно броене и има широки перспективи за приложение в астрономическите наблюдения, комуникацията в свободното пространство, активните и пасивните изображения, проследяването на ресни и т.н.
Принцип на броенето на фотони в HgCdTe APD устройства
APD фотодетекторните устройства, базирани на HgCdTe материали, могат да покриват широк диапазон от дължини на вълните, а коефициентите на йонизация на електроните и дупките са много различни (виж Фигура 1 (a)). Те показват механизъм на умножение с един носител в рамките на дължината на вълната от граничната стойност от 1,3~11 µm. Почти няма излишен шум (в сравнение с коефициента на излишен шум FSi~2-3 на Si APD устройствата и FIII-V~4-5 на устройствата от семейството III-V (виж Фигура 1 (b)), така че съотношението сигнал/шум на устройствата почти не намалява с увеличаването на усилването, което е идеално за инфрачервена област.лавинов фотодетектор.
ФИГ. 1 (а) Връзка между съотношението на коефициента на ударна йонизация на материала живачно-кадмиев телурид и компонент x на Cd; (б) Сравнение на коефициента на излишен шум F на APD устройства с различни материални системи
Технологията за броене на фотони е нова технология, която може цифрово да извлича оптични сигнали от топлинен шум чрез разделяне на фотоелектронните импулси, генерирани от...фотодетекторслед получаване на единичен фотон. Тъй като сигналът при слаба светлина е по-разпръснат във времевата област, електрическият сигнал, изходен от детектора, също е естествен и дискретен. Според тази характеристика на слабата светлина, за откриване на изключително слаба светлина обикновено се използват техники за усилване на импулси, дискриминация на импулси и цифрово броене. Съвременната технология за броене на фотони има много предимства, като високо съотношение сигнал/шум, висока дискриминация, висока точност на измерване, добро анти-дрифтово отклонение, добра времева стабилност и може да извежда данни към компютъра под формата на цифров сигнал за последващ анализ и обработка, което е несравнимо с други методи за откриване. В момента 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 резолюция, астрономическа фотометрия, измерване на атмосферното замърсяване и др., които са свързани с получаването и откриването на слаби светлинни сигнали. Лавинният фотодетектор с живачно-кадмиев телурид почти няма излишен шум, с увеличаване на усилването съотношението сигнал/шум не намалява и няма мъртво време и ограничение след импулс, свързани с лавинните устройства на Geiger, което е много подходящо за приложение при броене на фотони и е важна насока за развитие на устройствата за броене на фотони в бъдеще.
Време на публикуване: 14 януари 2025 г.