Uvod, vrsta brojanja fotonalinearni lavinski fotodetektor
Tehnologija brojanja fotona može u potpunosti pojačati signal fotona kako bi se prevladala buka očitavanja elektroničkih uređaja, te zabilježiti broj fotona koje detektor emitira u određenom vremenskom razdoblju koristeći prirodne diskretne karakteristike izlaznog električnog signala detektora pod slabim svjetlosnim zračenjem i izračunati informacije o izmjerenoj meti prema vrijednosti fotometara. Kako bi se ostvarila detekcija izuzetno slabe svjetlosti, u raznim zemljama proučavane su mnoge različite vrste instrumenata s mogućnošću detekcije fotona. Lavinska fotodioda u čvrstom stanju (APD fotodetektor) je uređaj koji koristi unutarnji fotoelektrični efekt za detekciju svjetlosnih signala. U usporedbi s vakuumskim uređajima, uređaji u čvrstom stanju imaju očite prednosti u brzini odziva, broju tamnih signala, potrošnji energije, volumenu i osjetljivosti magnetskog polja itd. Znanstvenici su proveli istraživanje temeljeno na tehnologiji snimanja brojanjem fotona u čvrstom stanju APD.
APD fotodetektorski uređajIako ima dva načina rada, Geigerov način rada (GM) i linearni način rada (LM), trenutna APD tehnologija snimanja brojanjem fotona uglavnom koristi Geigerov način rada APD uređaja. Geigerov način rada APD uređaji imaju visoku osjetljivost na razini pojedinačnog fotona i visoku brzinu odziva od nekoliko desetaka nanosekundi kako bi se postigla visoka vremenska točnost. Međutim, Geigerov način rada APD ima neke probleme kao što su mrtvo vrijeme detektora, niska učinkovitost detekcije, veliki optički križalj i niska prostorna rezolucija, pa je teško optimizirati kontradikciju između visoke stope detekcije i niske stope lažnih alarma. Brojači fotona temeljeni na gotovo bešumnim HgCdTe APD uređajima s visokim pojačanjem rade u linearnom načinu rada, nemaju ograničenja mrtvog vremena i preslušavanja, nemaju post-puls povezan s Geigerovim načinom rada, ne zahtijevaju krugove za gašenje, imaju ultra visok dinamički raspon, širok i podesiv spektralni raspon odziva te se mogu neovisno optimizirati za učinkovitost detekcije i stopu lažnog brojanja. Otvara novo područje primjene infracrvenog brojanja fotona, važan je smjer razvoja uređaja za brojanje fotona i ima široke mogućnosti primjene u astronomskom promatranju, komunikaciji u slobodnom prostoru, aktivnom i pasivnom snimanju, praćenju pruga i tako dalje.
Princip brojanja fotona u HgCdTe APD uređajima
APD fotodetektorski uređaji bazirani na HgCdTe materijalima mogu pokriti širok raspon valnih duljina, a koeficijenti ionizacije elektrona i šupljina su vrlo različiti (vidi sliku 1 (a)). Pokazuju mehanizam množenja jednog nosioca unutar granične valne duljine od 1,3~11 µm. Gotovo da nema viška šuma (u usporedbi s faktorom viška šuma FSi~2-3 Si APD uređaja i FIII-V~4-5 uređaja III-V porodice (vidi sliku 1 (b)), tako da omjer signala i šuma uređaja gotovo da ne opada s povećanjem pojačanja, što je idealno infracrveno područje.fotodetektor lavina.
SL. 1 (a) Odnos između omjera koeficijenta ionizacije udara materijala žive-kadmij telurida i komponente x Cd; (b) Usporedba faktora viška šuma F APD uređaja s različitim materijalnim sustavima
Tehnologija brojanja fotona je nova tehnologija koja može digitalno izdvojiti optičke signale iz termalnog šuma razlučivanjem fotoelektronskih impulsa generiranihfotodetektornakon prijema jednog fotona. Budući da je signal slabog osvjetljenja više raspršen u vremenskoj domeni, električni signal koji detektor emitira također je prirodan i diskretan. Prema ovoj karakteristici slabog osvjetljenja, tehnike pojačanja impulsa, diskriminacije impulsa i digitalnog brojanja obično se koriste za detekciju izuzetno slabog osvjetljenja. Moderna tehnologija brojanja fotona ima mnoge prednosti, kao što su visok omjer signala i šuma, visoka diskriminacija, visoka točnost mjerenja, dobro sprječavanje pomicanja, dobra vremenska stabilnost i mogućnost slanja podataka na računalo u obliku digitalnog signala za naknadnu analizu i obradu, što je neusporedivo s drugim metodama detekcije. Trenutno se sustav brojanja fotona široko koristi u području industrijskog mjerenja i detekcije slabog osvjetljenja, kao što su nelinearna optika, molekularna biologija, spektroskopija ultra visoke rezolucije, astronomska fotometrija, mjerenje onečišćenja atmosfere itd., što je povezano s akvizicijom i detekcijom slabih svjetlosnih signala. Lavinski fotodetektor žive-kadmij-telurida gotovo da nema viška šuma, s povećanjem pojačanja, omjer signala i šuma se ne smanjuje, a nema ni mrtvog vremena ni ograničenja nakon impulsa povezanih s Geigerovim lavinskim uređajima, što je vrlo pogodno za primjenu u brojanju fotona i važan je smjer razvoja uređaja za brojanje fotona u budućnosti.
Vrijeme objave: 14. siječnja 2025.