Úvod, typ počítania fotónovlineárny lavínový fotodetektor
Technológia počítania fotónov dokáže plne zosilniť fotónový signál, aby prekonala šum pri čítaní elektronických zariadení, a zaznamenať počet fotónov vyžarovaných detektorom v určitom časovom období pomocou prirodzených diskrétnych charakteristík výstupného elektrického signálu detektora pri slabom svetelnom ožiarení a vypočítať informácie o meranom cieli podľa hodnoty fotónmetra. Na dosiahnutie detekcie extrémne slabého svetla sa v rôznych krajinách skúmalo mnoho rôznych druhov prístrojov so schopnosťou detekcie fotónov. Lavinová fotodióda v pevnom skupenstve (APD fotodetektor) je zariadenie, ktoré využíva vnútorný fotoelektrický efekt na detekciu svetelných signálov. V porovnaní s vákuovými zariadeniami majú polovodičové zariadenia zjavné výhody v rýchlosti odozvy, počte tmy, spotrebe energie, objeme a citlivosti na magnetické pole atď. Vedci vykonali výskum založený na technológii zobrazovania počítaním fotónov pomocou polovodičového APD.
APD fotodetektorové zariadenieMá dva pracovné režimy, Geigerov režim (GM) a lineárny režim (LM), súčasná technológia zobrazovania počítaním fotónov APD využíva hlavne Geigerov režim APD. Geigerov režim APD má vysokú citlivosť na úrovni jednotlivých fotónov a vysokú rýchlosť odozvy desiatok nanosekúnd, aby sa dosiahla vysoká časová presnosť. Geigerov režim APD má však určité problémy, ako je mŕtvy čas detektora, nízka účinnosť detekcie, veľký optický rozsah a nízke priestorové rozlíšenie, takže je ťažké optimalizovať rozpor medzi vysokou mierou detekcie a nízkou mierou falošných poplachov. Počítadlá fotónov založené na takmer bezšumových zariadeniach HgCdTe APD s vysokým ziskom pracujú v lineárnom režime, nemajú žiadne obmedzenia mŕtveho času a presluchov, nemajú žiadne následné impulzy spojené s Geigerovým režimom, nevyžadujú zhášacie obvody, majú ultravysoký dynamický rozsah, široký a laditeľný rozsah spektrálnej odozvy a možno ich nezávisle optimalizovať z hľadiska účinnosti detekcie a miery falošných poplachov. Otvára novú oblasť použitia infračerveného zobrazovania počítaním fotónov, je dôležitým smerom vývoja zariadení na počítanie fotónov a má široké možnosti uplatnenia v astronomickom pozorovaní, komunikácii vo voľnom priestore, aktívnom a pasívnom zobrazovaní, sledovaní prúžkov a tak ďalej.
Princíp počítania fotónov v zariadeniach HgCdTe APD
APD fotodetektory založené na materiáloch HgCdTe môžu pokryť široký rozsah vlnových dĺžok a ionizačné koeficienty elektrónov a dier sú veľmi odlišné (pozri obrázok 1 (a)). Vykazujú mechanizmus násobenia jedného nosiča v rámci medznej vlnovej dĺžky 1,3 ~ 11 µm. Nevyskytuje sa takmer žiadny nadmerný šum (v porovnaní s faktorom nadmerného šumu FSi~2-3 u Si APD zariadení a FIII-V~4-5 u zariadení rodiny III-V (pozri obrázok 1 (b)), takže pomer signálu k šumu zariadení takmer neklesá so zvyšujúcim sa ziskom, čo je ideálne infračervené žiarenie.lavínový fotodetektor.
OBR. 1 (a) Vzťah medzi pomerom koeficientu nárazovej ionizácie materiálu ortuť-teluridu kadmia a zložkou x Cd; (b) Porovnanie faktora nadmerného šumu F zariadení APD s rôznymi materiálovými systémami
Technológia počítania fotónov je nová technológia, ktorá dokáže digitálne extrahovať optické signály z tepelného šumu rozlíšením fotoelektrónových impulzov generovaných...fotodetektorpo prijatí jediného fotónu. Keďže signál slabého osvetlenia je v časovej doméne viac rozptýlený, elektrický signál vydávaný detektorom je tiež prirodzený a diskrétny. Podľa tejto charakteristiky slabého svetla sa na detekciu extrémne slabého svetla zvyčajne používajú techniky zosilnenia impulzov, diskriminácie impulzov a digitálneho počítania. Moderná technológia počítania fotónov má mnoho výhod, ako je vysoký pomer signálu k šumu, vysoká diskriminácia, vysoká presnosť merania, dobrá ochrana pred driftom, dobrá časová stabilita a umožňuje výstup údajov do počítača vo forme digitálneho signálu na následnú analýzu a spracovanie, čo je neporovnateľné s inými metódami detekcie. V súčasnosti sa systém počítania fotónov široko používa v oblasti priemyselného merania a detekcie slabého osvetlenia, ako je nelineárna optika, molekulárna biológia, spektroskopia s ultravysokým rozlíšením, astronomická fotometria, meranie znečistenia ovzdušia atď., ktoré súvisia so získavaním a detekciou slabých svetelných signálov. Lavínový fotodetektor na báze ortuťovo-kadmiového teluridu nemá takmer žiadny nadmerný šum, so zvyšujúcim sa ziskom sa pomer signálu k šumu nezmenšuje a nedochádza k žiadnemu mŕtvemu času a obmedzeniu po impulze súvisiacemu s lavínovými zariadeniami Geiger, čo je veľmi vhodné na použitie pri počítaní fotónov a predstavuje dôležitý smer vývoja zariadení na počítanie fotónov v budúcnosti.
Čas uverejnenia: 14. januára 2025