Introdução, tipo de contagem de fótonsfotodetector linear de avalanche
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, usando as características naturais discretas do sinal elétrico de saída do detector sob irradiação de luz fraca. , e calcule as informações do alvo medido de acordo com o valor do medidor de fótons. Para realizar a detecção de luz extremamente fraca, muitos tipos diferentes de instrumentos com capacidade de detecção de fótons foram estudados em vários países. Um fotodiodo de avalanche de estado sólido (Fotodetector APD) é um dispositivo que utiliza o efeito fotoelétrico interno para detectar sinais de luz. Em comparação com dispositivos de vácuo, os dispositivos de estado sólido têm vantagens óbvias em velocidade de resposta, contagem de escuro, consumo de energia, volume e sensibilidade do campo magnético, etc. Os cientistas realizaram pesquisas com base na tecnologia de imagem de contagem de fótons APD de estado sólido.
Dispositivo fotodetector APDtem modo Geiger (GM) e modo linear (LM) dois modos de trabalho, a atual tecnologia de imagem de contagem de fótons APD usa principalmente dispositivo APD de modo Geiger. Os dispositivos APD no modo Geiger possuem 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 modo Geiger APD tem alguns problemas, como tempo morto do detector, baixa eficiência de detecção, grandes palavras cruzadas ópticas e baixa resolução espacial, por isso é difícil otimizar a contradição entre alta taxa de detecção e baixa taxa de falsos alarmes. Contadores de fótons baseados em dispositivos HgCdTe APD 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 faixa de resposta espectral ajustável, e pode ser otimizado de forma independente para eficiência de detecção e taxa de contagem falsa. Ele abre um novo campo de aplicação de imagens infravermelhas de contagem de fótons, 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 HgCdTe APD
Os dispositivos fotodetectores APD baseados em materiais HgCdTe podem cobrir uma ampla faixa de comprimentos de onda, e os coeficientes de ionização de elétrons e buracos 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 ~ 11 µm. Quase não há ruído excessivo (em comparação com o fator de ruído excessivo FSi ~ 2-3 de dispositivos Si APD e FIII-V ~ 4-5 de dispositivos da família III-V (ver Figura 1 (b)), de modo que o sinal- a relação ruído dos dispositivos quase não diminui com o aumento do ganho, que é um infravermelho idealfotodetector de avalanche.
FIGO. 1 (a) Relação entre a razão do coeficiente de ionização por impacto do material telureto de mercúrio e cádmio e o componente x do Cd; (b) Comparação do fator de excesso de ruído F de dispositivos APD com diferentes sistemas de materiais
A tecnologia de contagem de fótons é uma nova tecnologia que pode extrair digitalmente sinais ópticos de ruído térmico, resolvendo os pulsos de fotoelétrons gerados por umfotodetectordepois de receber um único fóton. Como o sinal de pouca luz é mais disperso no domínio do tempo, o sinal elétrico emitido pelo detector também é natural e discreto. De acordo com esta característica da luz fraca, técnicas de amplificação de pulso, discriminação de pulso e contagem digital são geralmente usadas para detectar luz extremamente fraca. A moderna tecnologia de contagem de fótons tem muitas vantagens, como alta relação sinal-ruído, alta discriminação, alta precisão de medição, bom anti-deriva, boa estabilidade de tempo e pode enviar dados para o computador na forma de sinal digital para análise posterior e processamento, que é incomparável com outros métodos de detecção. Atualmente, o sistema de contagem de fótons tem sido amplamente utilizado no campo da medição industrial e detecção de pouca luz, como óptica não linear, biologia molecular, espectroscopia de ultra-alta resolução, fotometria astronômica, medição de poluição atmosférica, etc., que estão relacionados para a aquisição e detecção de sinais de luz fracos. 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 relacionada aos dispositivos de avalanche Geiger, o que é muito adequado para aplicação na contagem de fótons e é uma importante direção de desenvolvimento de dispositivos de contagem de fótons no futuro.
Horário da postagem: 14 de janeiro de 2025