Introdução, tipo de contagem de fótonsfotodetector de avalanche linear
A tecnologia de contagem de fótons pode amplificar totalmente o sinal de fótons para superar o ruído de leitura de dispositivos eletrônicos e registrar o número de fótons emitidos pelo detector em um determinado período de tempo, utilizando as características discretas naturais do sinal elétrico de saída do detector sob irradiação de luz fraca, e calcular as informações do alvo medido de acordo com o valor do fotômetro. Para realizar a detecção de luz extremamente fraca, muitos tipos diferentes de instrumentos com capacidade de detecção de fótons têm sido estudados em vários países. Um fotodiodo de avalanche de estado sólido (Fotodetector APDO fotodiodo de avalanche (APD) é um dispositivo que utiliza o efeito fotoelétrico interno para detectar sinais de luz. Comparado com dispositivos a vácuo, os dispositivos de estado sólido apresentam vantagens evidentes em termos de velocidade de resposta, contagem de ruído, consumo de energia, volume e sensibilidade a campos magnéticos, entre outros. Cientistas têm realizado pesquisas baseadas na tecnologia de imagem por contagem de fótons de APD em estado sólido.
dispositivo fotodetector APDA tecnologia atual de imageamento por contagem de fótons com fotodiodo de avalanche (APD) possui dois modos de operação: modo Geiger (GM) e modo linear (LM). Os dispositivos APD em modo Geiger apresentam alta sensibilidade, na ordem de fótons individuais, e alta velocidade de resposta, na ordem de dezenas de nanossegundos, permitindo alta precisão temporal. No entanto, o modo Geiger apresenta algumas limitações, como tempo morto do detector, baixa eficiência de detecção, grande interferência óptica e baixa resolução espacial, o que dificulta a otimização do equilíbrio entre alta taxa de detecção e baixa taxa de falsos alarmes. Contadores de fótons baseados em dispositivos APD de HgCdTe de alto ganho e baixo ruído operam em modo linear, não possuem tempo morto nem restrições de interferência, não apresentam o pós-pulso associado ao modo Geiger, não requerem circuitos de extinção, possuem faixa dinâmica ultra-alta, ampla faixa de resposta espectral ajustável e podem ser otimizados independentemente para eficiência de detecção e taxa de falsos alarmes. Isso abre um novo campo de aplicação para imagens de contagem de fótons infravermelhos, representa uma importante direção de desenvolvimento para dispositivos de contagem de fótons e possui amplas perspectivas de aplicação em observação astronômica, comunicação em espaço livre, imagens ativas e passivas, rastreamento de franjas e assim por diante.
Princípio da contagem de fótons em dispositivos APD de HgCdTe
Os fotodetectores APD baseados em materiais HgCdTe podem cobrir uma ampla faixa de comprimentos de onda, e os coeficientes de ionização de elétrons e lacunas são muito diferentes (ver Figura 1(a)). Eles exibem um mecanismo de multiplicação de portadores únicos dentro do comprimento de onda de corte de 1,3 a 11 µm. Não há praticamente nenhum ruído em excesso (comparado com o fator de ruído em excesso FSi~2-3 dos dispositivos APD de Si e FIII-V~4-5 dos dispositivos da família III-V (ver Figura 1(b))), de modo que a relação sinal-ruído dos dispositivos praticamente não diminui com o aumento do ganho, o que os torna ideais para o infravermelho.fotodetector de avalanche.
FIG. 1 (a) Relação entre a razão do coeficiente de ionização por impacto do material de telureto de mercúrio-cádmio e o componente x do Cd; (b) Comparação do fator de ruído em excesso F de dispositivos APD com diferentes sistemas de materiais.
A tecnologia de contagem de fótons é uma nova tecnologia que permite extrair digitalmente sinais ópticos do ruído térmico, resolvendo os pulsos de fotoelétrons gerados por um feixe de elétrons.fotodetectorApós receber um único fóton, o sinal de baixa luminosidade é mais disperso no domínio do tempo, resultando em um sinal elétrico natural e discreto emitido pelo detector. Devido a essa característica da luz fraca, técnicas como amplificação de pulsos, discriminação de pulsos e contagem digital são geralmente utilizadas para detectar luz extremamente fraca. A moderna tecnologia de contagem de fótons apresenta diversas vantagens, como alta relação sinal-ruído, alta discriminação, alta precisão de medição, boa resistência à deriva, boa estabilidade temporal e a capacidade de enviar dados para o computador na forma de sinal digital para posterior análise e processamento, características incomparáveis a outros métodos de detecção. Atualmente, o sistema de contagem de fótons é amplamente utilizado em diversas áreas, como medição industrial e detecção de baixa luminosidade, óptica não linear, biologia molecular, espectroscopia de ultra-alta resolução, fotometria astronômica e medição da poluição atmosférica, que envolvem a aquisição e detecção de sinais de luz fraca. O fotodetector de avalanche de telureto de mercúrio-cádmio praticamente não apresenta ruído excessivo; à medida que o ganho aumenta, a relação sinal-ruído não se deteriora, e não há tempo morto nem restrição pós-pulso associadas aos dispositivos de avalanche Geiger, o que o torna muito adequado para aplicações em contagem de fótons e representa uma importante direção de desenvolvimento para dispositivos de contagem de fótons no futuro.
Data da publicação: 14 de janeiro de 2025