Úvod, typ počítání fotonůlineární lavinový fotodetektor
Technologie počítání fotonů dokáže plně zesílit fotonový signál a překonat tak šum při čtení elektronických zařízení. Zaznamenávat počet fotonů vyslaných detektorem v určitém časovém období s využitím přirozených diskrétních charakteristik výstupního elektrického signálu detektoru za slabého světelného záření a vypočítat informace o měřeném cíli podle hodnoty fotonmetru. Pro realizaci detekce extrémně slabého světla bylo v různých zemích studováno mnoho různých druhů přístrojů se schopností detekce fotonů. Lavinová fotodioda v pevné fázi (APD fotodetektor) je zařízení, které využívá vnitřní fotoelektrický jev k detekci světelných signálů. Ve srovnání s vakuovými zařízeními mají polovodičová zařízení zjevné výhody v rychlosti odezvy, počtu tmavých bodů, spotřebě energie, objemové a magnetické citlivosti atd. Vědci provedli výzkum založený na technologii zobrazování s počítáním fotonů v pevné fázi (APD).
APD fotodetektorové zařízeníAčkoliv má Geigerův režim (GM) a lineární režim (LM) dva pracovní režimy, současná technologie zobrazování APD s počítáním fotonů využívá hlavně Geigerův režim APD. Geigerův režim APD má vysokou citlivost na úrovni jednotlivých fotonů a vysokou rychlost odezvy desítek nanosekund, což vede k vysoké časové přesnosti. Geigerův režim APD má však určité problémy, jako je mrtvý čas detektoru, nízká účinnost detekce, velký optický křížový prostor a nízké prostorové rozlišení, takže je obtížné optimalizovat rozpor mezi vysokou mírou detekce a nízkou mírou falešných poplachů. Počítadla fotonů založená na téměř bezšumových zařízeních HgCdTe APD s vysokým ziskem pracují v lineárním režimu, nemají žádná omezení mrtvého času a přeslechů, nemají žádné následné pulzy spojené s Geigerovým režimem, nevyžadují zhášecí obvody, mají ultravysoký dynamický rozsah, široký a laditelný spektrální rozsah odezvy a lze je nezávisle optimalizovat pro účinnost detekce a míru falešných poplachů. Otevírá novou oblast použití pro infračervené zobrazování s počítáním fotonů, je důležitým směrem vývoje zařízení pro počítání fotonů a má široké aplikační vyhlídky v astronomickém pozorování, komunikaci ve volném prostoru, aktivním a pasivním zobrazování, sledování proužků a tak dále.
Princip počítání fotonů v zařízeních HgCdTe APD
APD fotodetektory založené na materiálech HgCdTe mohou pokrývat široký rozsah vlnových délek a ionizační koeficienty elektronů a děr se velmi liší (viz obrázek 1 (a)). Vykazují mechanismus násobení jednoho nosiče v mezní vlnové délce 1,3~11 µm. Nevyskytuje se zde téměř žádný nadbytečný šum (ve srovnání s faktorem nadbytečného šumu FSi~2-3 u Si APD zařízení a FIII-V~4-5 u zařízení řady III-V (viz obrázek 1 (b)), takže poměr signálu k šumu zařízení se s rostoucím ziskem téměř neklesá, což je ideální pro infračervené záření.lavinový fotodetektor.
OBR. 1 (a) Vztah mezi poměrem koeficientu nárazové ionizace materiálu rtuť-teluridu kademnatého a složkou x Cd; (b) Porovnání faktoru nadměrného šumu F u APD zařízení s různými materiálovými systémy
Technologie počítání fotonů je nová technologie, která dokáže digitálně extrahovat optické signály z tepelného šumu rozlišením fotoelektronových pulzů generovaných...fotodetektorpo přijetí jediného fotonu. Vzhledem k tomu, že signál slabého osvětlení je v časové doméně více rozptýlen, je elektrický signál vydávaný detektorem také přirozený a diskrétní. Vzhledem k této charakteristikě slabého světla se k detekci extrémně slabého světla obvykle používají techniky pulzního zesílení, pulzní diskriminace a digitálního počítání. Moderní technologie počítání fotonů má mnoho výhod, jako je vysoký poměr signálu k šumu, vysoká diskriminace, vysoká přesnost měření, dobrá ochrana proti driftu, dobrá časová stabilita a možnost výstupu dat do počítače v digitální formě pro následnou analýzu a zpracování, což je bezkonkurenční u jiných detekčních metod. V současné době se systém počítání fotonů široce používá v oblasti průmyslového měření a detekce slabého osvětlení, jako je nelineární optika, molekulární biologie, spektroskopie s ultravysokým rozlišením, astronomická fotometrie, měření znečištění ovzduší atd., které souvisejí se sběrem a detekcí slabých světelných signálů. Lavinový fotodetektor na bázi rtuť-teluridu kademnatého téměř nevykazuje nadměrný šum. S rostoucím ziskem se poměr signálu k šumu nezmenšuje a nedochází k žádnému mrtvému času ani omezením po pulzu souvisejícím s lavinovými zařízeními Geiger. To je velmi vhodné pro použití v počítání fotonů a představuje důležitý směr vývoje zařízení pro počítání fotonů v budoucnu.
Čas zveřejnění: 14. ledna 2025