Úvod, typ počítání fotonůlineární lavinový fotodetektor
Technologie počítání fotonů může plně zesílit fotonový signál, aby se překonal čtecí šum elektronických zařízení, a zaznamenat počet fotonů na výstupu detektoru za určité časové období pomocí přirozených diskrétních charakteristik výstupního elektrického signálu detektoru při slabém ozáření světlem. a vypočítat informaci měřeného cíle podle hodnoty fotonmetru. Aby bylo možné realizovat detekci 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 zařízení v pevné fázi zjevné výhody v rychlosti odezvy, počtu tmy, spotřebě energie, citlivosti na objem a magnetické pole atd. Vědci provedli výzkum založený na technologii zobrazování fotonů APD v pevné fázi.
Zařízení fotodetektoru APDmá dva pracovní režimy Geigerův režim (GM) a lineární režim (LM), současná zobrazovací technologie počítání fotonů APD využívá především zařízení APD v Geigerově režimu. Zařízení APD v Geigerově režimu mají vysokou citlivost na úrovni jednoho fotonu a vysokou rychlost odezvy v řádu desítek nanosekund pro dosažení vysoké časové přesnosti. Geigerův režim APD má však některé problémy, jako je mrtvý čas detektoru, nízká účinnost detekce, velká optická křížovka a nízké prostorové rozlišení, takže je obtížné optimalizovat rozpor mezi vysokou mírou detekce a nízkou mírou falešných poplachů. Fotonové čítače založené na téměř bezhlučných zařízeních HgCdTe APD s vysokým ziskem pracují v lineárním režimu, nemají omezení mrtvého času a přeslechů, nemají žádný post-puls spojený s Geigerovým režimem, nevyžadují zhášecí obvody, mají ultra vysoký dynamický rozsah, široký a laditelný rozsah spektrální odezvy a lze je nezávisle optimalizovat pro účinnost detekce a četnost falešných impulzů. Otevírá nové aplikační pole infračerveného zobrazování počítání fotonů, je důležitým směrem vývoje zařízení pro počítání fotonů a má široké vyhlídky na uplatnění v astronomickém pozorování, komunikaci ve volném prostoru, aktivním a pasivním zobrazování, sledování okrajů a tak dále.
Princip počítání fotonů v zařízeních HgCdTe APD
Fotodetektorová zařízení APD založená na materiálech HgCdTe mohou pokrýt široký rozsah vlnových délek a ionizační koeficienty elektronů a děr jsou velmi odlišné (viz obrázek 1 (a)). Vykazují mechanismus násobení jedné nosné v mezní vlnové délce 1,3~11 µm. Neexistuje téměř žádný nadměrný šum (ve srovnání s faktorem nadměrného šumu FSi~2-3 zařízení Si APD a FIII-V~4-5 zařízení rodiny III-V (viz obrázek 1 (b)), takže signál poměr k šumu zařízení téměř neklesá s nárůstem zisku, což je ideální infračervenélavinový fotodetektor.
OBR. 1 (a) Vztah mezi poměrem koeficientu nárazové ionizace materiálu teluridu rtuti a kadmia a složkou x Cd; (b) Porovnání faktoru nadměrného šumu F zařízení APD s různými materiálovými systémy
Technologie počítání fotonů je nová technologie, která dokáže digitálně extrahovat optické signály z tepelného šumu rozlišením fotoelektronových pulzů generovanýchfotodetektorpo přijetí jediného fotonu. Protože signál při slabém osvětlení je v časové oblasti více rozptýlen, je výstup elektrického signálu z detektoru také přirozený a diskrétní. Podle této charakteristiky slabého světla se k detekci extrémně slabého světla obvykle používají pulsní zesílení, pulsní diskriminace a digitální počítací techniky. Moderní technologie počítání fotonů má mnoho výhod, jako je vysoký odstup signálu od šumu, vysoká diskriminace, vysoká přesnost měření, dobrý anti-drift, dobrá časová stabilita a může odesílat data do počítače ve formě digitálního signálu pro následnou analýzu. a zpracování, kterému se jiné metody detekce nevyrovnají. V současné době je systém počítání fotonů široce používán v oblasti průmyslového měření a detekce slabého osvětlení, jako je nelineární optika, molekulární biologie, spektroskopie s ultra vysokým rozlišením, astronomická fotometrie, měření znečištění atmosféry atd. k získávání a detekci slabých světelných signálů. Lavinový fotodetektor z rtuti a teluridu kadmia nemá téměř žádný nadměrný šum, protože se zvyšujícím se zesílením nedochází k poklesu odstupu signálu od šumu a nedochází k žádnému omezení mrtvého času a postpulsu souvisejícímu s Geigerovými lavinovými zařízeními, což je velmi vhodné pro aplikace v počítání fotonů a je důležitým směrem vývoje zařízení pro počítání fotonů v budoucnosti.
Čas odeslání: 14. ledna 2025