Introducció, tipus de recompte de fotonsfotodetector d'allaus lineal
La tecnologia de recompte de fotons pot amplificar completament el senyal de fotons per superar el soroll de lectura dels dispositius electrònics i registrar el nombre de fotons emesos pel detector en un període de temps determinat mitjançant les característiques discretes naturals del senyal elèctric de sortida del detector sota una irradiació de llum feble, i calcular la informació de l'objectiu mesurat segons el valor del fotometre. Per tal de realitzar una detecció de llum extremadament feble, s'han estudiat molts tipus diferents d'instruments amb capacitat de detecció de fotons en diversos països. Un fotodíode d'allau d'estat sòlid (fotodetector APD) és un dispositiu que utilitza l'efecte fotoelèctric intern per detectar senyals de llum. En comparació amb els dispositius de buit, els dispositius d'estat sòlid tenen avantatges evidents en la velocitat de resposta, el recompte de fotons foscos, el consum d'energia, el volum i la sensibilitat al camp magnètic, etc. Els científics han dut a terme investigacions basades en la tecnologia d'imatges de recompte de fotons APD d'estat sòlid.
dispositiu fotodetector APDTé dos modes de treball en mode Geiger (GM) i mode lineal (LM). La tecnologia d'imatges de recompte de fotons APD actual utilitza principalment un dispositiu APD en mode Geiger. Els dispositius APD en mode Geiger tenen una alta sensibilitat al nivell d'un sol fotó i una alta velocitat de resposta de desenes de nanosegons per obtenir una alta precisió temporal. Tanmateix, l'APD en mode Geiger té alguns problemes, com ara el temps mort del detector, la baixa eficiència de detecció, els grans mots encreuats òptics i la baixa resolució espacial, per la qual cosa és difícil optimitzar la contradicció entre una alta taxa de detecció i una baixa taxa de falses alarmes. Els comptadors de fotons basats en dispositius APD HgCdTe d'alt guany gairebé silenciosos funcionen en mode lineal, no tenen restriccions de temps mort ni de diafonia, no tenen postpols associats al mode Geiger, no requereixen circuits d'extinció, tenen un rang dinàmic ultra alt, un rang de resposta espectral ampli i ajustable, i es poden optimitzar independentment per a l'eficiència de detecció i la taxa de recompte fals. Obre un nou camp d'aplicació d'imatges de recompte de fotons infrarojos, és una important direcció de desenvolupament dels dispositius de recompte de fotons i té àmplies perspectives d'aplicació en observació astronòmica, comunicació en espai lliure, imatges actives i passives, seguiment de franges, etc.
Principi del recompte de fotons en dispositius APD de HgCdTe
Els dispositius fotodetectors APD basats en materials HgCdTe poden cobrir una àmplia gamma de longituds d'ona, i els coeficients d'ionització dels electrons i els forats són molt diferents (vegeu la Figura 1 (a)). Presenten un mecanisme de multiplicació d'un sol portador dins de la longitud d'ona de tall d'1,3~11 µm. Gairebé no hi ha excés de soroll (en comparació amb el factor d'excés de soroll FSi~2-3 dels dispositius APD de Si i FIII-V~4-5 dels dispositius de la família III-V (vegeu la Figura 1 (b)), de manera que la relació senyal-soroll dels dispositius gairebé no disminueix amb l'augment del guany, la qual cosa és un infraroig ideal.fotodetector d'allaus.
FIG. 1 (a) Relació entre el coeficient d'ionització per impacte del material tel·lurur de mercuri i cadmi i el component x del Cd; (b) Comparació del factor de soroll excessiu F dels dispositius APD amb diferents sistemes de materials.
La tecnologia de recompte de fotons és una nova tecnologia que pot extreure digitalment senyals òptics del soroll tèrmic mitjançant la resolució dels polsos fotoelectrònics generats per unfotodetectordesprés de rebre un sol fotó. Com que el senyal de poca llum està més dispers en el domini temporal, el senyal elèctric que emet el detector també és natural i discret. D'acord amb aquesta característica de llum feble, les tècniques d'amplificació d'impulsos, discriminació d'impulsos i recompte digital s'utilitzen normalment per detectar llum extremadament feble. La tecnologia moderna de recompte de fotons té molts avantatges, com ara una alta relació senyal-soroll, alta discriminació, alta precisió de mesura, bona antideriva, bona estabilitat temporal i pot enviar dades a l'ordinador en forma de senyal digital per a la seva posterior anàlisi i processament, cosa que no té parangó amb altres mètodes de detecció. Actualment, el sistema de recompte de fotons s'ha utilitzat àmpliament en el camp del mesurament industrial i la detecció de poca llum, com ara l'òptica no lineal, la biologia molecular, l'espectroscòpia d'ultraalta resolució, la fotometria astronòmica, el mesurament de la contaminació atmosfèrica, etc., que estan relacionats amb l'adquisició i detecció de senyals de llum febles. El fotodetector d'allaus de tel·lurur de mercuri i cadmi gairebé no té soroll excés, a mesura que augmenta el guany, la relació senyal-soroll no decau i no hi ha cap temps mort ni restricció post-pols relacionada amb els dispositius d'allaus Geiger, cosa que és molt adequada per a l'aplicació en el recompte de fotons i és una direcció de desenvolupament important dels dispositius de recompte de fotons en el futur.
Data de publicació: 14 de gener de 2025