Introdução, tipo de contagem de fótonsfotodetector de avalanche linear
A tecnologia de contagem de fótons pode amplificar completamente 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 em luz extremamente fraca, diversos tipos de instrumentos com capacidade de detecção de fótons têm sido estudados em diversos países. Um fotodiodo de avalanche de estado sólido (Fotodetector APD) é um dispositivo que utiliza o efeito fotoelétrico interno para detectar sinais de luz. Comparados aos dispositivos a vácuo, os dispositivos de estado sólido apresentam vantagens óbvias em termos de velocidade de resposta, contagem de escuro, consumo de energia, volume e sensibilidade ao campo magnético, entre outros. Cientistas realizaram pesquisas baseadas na tecnologia de imagem de contagem de fótons APD de estado sólido.
Dispositivo fotodetector APDpossui modo Geiger (GM) e modo linear (LM) dois modos de trabalho, a atual tecnologia de imagem de contagem de fótons APD usa principalmente o dispositivo APD de modo Geiger. Os dispositivos APD de modo Geiger têm alta sensibilidade no nível de fóton único e alta velocidade de resposta de dezenas de nanossegundos para obter alta precisão de tempo. No entanto, o APD de modo Geiger tem alguns problemas, como tempo morto do detector, baixa eficiência de detecção, grande palavra cruzada óptica e baixa resolução espacial, por isso é difícil otimizar a contradição entre alta taxa de detecção e baixa taxa de alarmes falsos. Os contadores de fótons baseados em dispositivos APD de HgCdTe de alto ganho quase silenciosos operam em modo linear, não têm tempo morto e restrições de diafonia, não têm pós-pulso associado ao modo Geiger, não requerem circuitos de extinção, têm faixa dinâmica ultra-alta, ampla e ajustável faixa de resposta espectral e podem ser otimizados independentemente para eficiência de detecção e taxa de contagem falsa. Ele abre um novo campo de aplicação de imagens de contagem de fótons infravermelhos, é uma importante direção de desenvolvimento de dispositivos de contagem de fótons e tem 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
Dispositivos 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 portadora única dentro do comprimento de onda de corte de 1,3 a 11 µm. Quase não há excesso de ruído (em comparação com o fator de excesso de ruído 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 quase não diminui com o aumento do ganho, o que é um fator ideal para infravermelho.fotodetector de avalanche.
FIG. 1 (a) Relação entre a razão do coeficiente de ionização de impacto do material telureto de mercúrio e cádmio e o componente x do Cd; (b) Comparação do fator de ruído excessivo F dos dispositivos APD com diferentes sistemas de materiais
A tecnologia de contagem de fótons é uma nova tecnologia que pode extrair digitalmente sinais ópticos do ruído térmico, resolvendo os pulsos de fotoelétrons gerados por umfotodetectorApós receber um único fóton. Como o sinal de baixa luminosidade é mais disperso no domínio do tempo, o sinal elétrico emitido pelo detector também é natural e discreto. De acordo com essa característica da luz fraca, amplificação de pulso, discriminação de pulso e técnicas de contagem digital são geralmente usadas para detectar luz extremamente fraca. A tecnologia moderna de contagem de fótons tem muitas vantagens, como alta relação sinal-ruído, alta discriminação, alta precisão de medição, bom anti-deriva, boa estabilidade temporal e pode enviar dados para o computador na forma de sinal digital para análise e processamento subsequentes, o que é incomparável a outros métodos de detecção. Atualmente, o sistema de contagem de fótons tem sido amplamente utilizado no campo de medição industrial e detecção de baixa luminosidade, como óptica não linear, biologia molecular, espectroscopia de ultra-alta resolução, fotometria astronômica, medição de poluição atmosférica, etc., que estão relacionados à aquisição e detecção de sinais de luz fraca. O fotodetector de avalanche de telureto de mercúrio e cádmio quase não tem excesso de ruído, à medida que o ganho aumenta, a relação sinal-ruído não decai, e não há tempo morto e restrição pós-pulso relacionados aos dispositivos de avalanche Geiger, o que é muito adequado para aplicação em contagem de fótons, e é uma importante direção de desenvolvimento de dispositivos de contagem de fótons no futuro.
Horário da publicação: 14/01/2025