Introdución, tipo de contaxe de fotónsfotodetector de avalanchas lineal
A tecnoloxía de reconto de fotóns pode amplificar completamente o sinal de fotóns para superar o ruído de lectura dos dispositivos electrónicos e rexistrar o número de fotóns emitidos polo detector nun determinado período de tempo utilizando as características discretas naturais do sinal eléctrico de saída do detector baixo unha irradiación de luz débil e calcular a información do obxectivo medido segundo o valor do medidor de fotóns. Para realizar unha detección de luz extremadamente débil, estudáronse moitos tipos diferentes de instrumentos con capacidade de detección de fotóns en varios países. Un fotodiodo de avalancha de estado sólido (Fotodetector APD) é un dispositivo que emprega o efecto fotoeléctrico interno para detectar sinais de luz. En comparación cos dispositivos de baleiro, os dispositivos de estado sólido teñen vantaxes obvias en canto á velocidade de resposta, o reconto de escuridade, o consumo de enerxía, o volume e a sensibilidade ao campo magnético, etc. Os científicos levaron a cabo investigacións baseadas na tecnoloxía de imaxe de reconto de fotóns APD de estado sólido.
Dispositivo fotodetector APDTen dous modos de traballo: modo Geiger (GM) e modo lineal (LM). A tecnoloxía actual de imaxe para a contaxe de fotóns APD utiliza principalmente un dispositivo APD en modo Geiger. Os dispositivos APD en modo Geiger teñen unha alta sensibilidade ao nivel dun só fotón e unha alta velocidade de resposta de decenas de nanosegundos para obter unha alta precisión temporal. Non obstante, o APD en modo Geiger ten algúns problemas, como o tempo morto do detector, a baixa eficiencia de detección, os crucigramas ópticos grandes e a baixa resolución espacial, polo que é difícil optimizar a contradición entre a alta taxa de detección e a baixa taxa de falsas alarmas. Os contadores de fotóns baseados en dispositivos APD de HgCdTe de alta ganancia case silenciosos funcionan en modo lineal, non teñen restricións de tempo morto nin de diafonía, non teñen post-pulso asociado ao modo Geiger, non requiren circuítos de extinción, teñen un rango dinámico ultraalto, un rango de resposta espectral amplo e sintonizable e poden optimizarse de forma independente para a eficiencia de detección e a taxa de contaxe de falsos. Abre un novo campo de aplicación da imaxe de reconto de fotóns infravermellos, é unha importante dirección de desenvolvemento dos dispositivos de reconto de fotóns e ten amplas perspectivas de aplicación na observación astronómica, a comunicación no espazo libre, a imaxe activa e pasiva, o seguimento de franxas, etc.
Principio da contaxe de fotóns en dispositivos APD de HgCdTe
Os dispositivos fotodetectores APD baseados en materiais HgCdTe poden cubrir unha ampla gama de lonxitudes de onda, e os coeficientes de ionización de electróns e buratos son moi diferentes (véxase a Figura 1 (a)). Presentan un mecanismo de multiplicación de portador único dentro da lonxitude de onda de corte de 1,3~11 µm. Case non hai exceso de ruído (en comparación co factor de exceso de ruído FSi~2-3 dos dispositivos APD de Si e FIII-V~4-5 dos dispositivos da familia III-V (véxase a Figura 1 (b)), polo que a relación sinal-ruído dos dispositivos case non diminúe co aumento da ganancia, o que é un infravermello ideal.fotodetector de avalanchas.
FIG. 1 (a) Relación entre a razón do coeficiente de ionización de impacto do material de telururo de cadmio e mercurio e o compoñente x do Cd; (b) Comparación do factor de ruído excesivo F dos dispositivos APD con diferentes sistemas de materiais
A tecnoloxía de reconto de fotóns é unha nova tecnoloxía que pode extraer dixitalmente sinais ópticos do ruído térmico mediante a resolución dos pulsos de fotoelectróns xerados por unfotodetectordespois de recibir un só fotón. Dado que o sinal de pouca luz está máis disperso no dominio do tempo, o sinal eléctrico que emite o detector tamén é natural e discreto. De acordo con esta característica da luz débil, as técnicas de amplificación de pulsos, discriminación de pulsos e conta dixital adoitan empregarse para detectar luz extremadamente débil. A tecnoloxía moderna de conta de fotóns ten moitas vantaxes, como unha alta relación sinal-ruído, alta discriminación, alta precisión de medición, boa antideriva, boa estabilidade temporal e pode enviar datos ao ordenador en forma de sinal dixital para a súa posterior análise e procesamento, o que non ten comparación con outros métodos de detección. Na actualidade, o sistema de conta de fotóns utilizouse amplamente no campo da medición industrial e a detección de pouca luz, como a óptica non lineal, a bioloxía molecular, a espectroscopia de ultra alta resolución, a fotometría astronómica, a medición da contaminación atmosférica, etc., que están relacionados coa adquisición e detección de sinais de luz débiles. O fotodetector de avalanchas de telururo de mercurio e cadmio case non ten exceso de ruído, xa que a ganancia aumenta, a relación sinal-ruído non diminúe e non hai tempo morto nin restricións posteriores ao pulso relacionadas cos dispositivos de avalanchas Geiger, o que é moi axeitado para a súa aplicación na contaxe de fotóns e constitúe unha importante dirección de desenvolvemento dos dispositivos de contaxe de fotóns no futuro.
Data de publicación: 14 de xaneiro de 2025