Ievads, fotonu skaitīšanas tipa lineārā lavīnas fotodetektors

Ievads, fotonu skaitīšanas veidslineārais lavīnas fotodetektors

Fotonu skaitīšanas tehnoloģija var pilnībā pastiprināt fotonu signālu, lai pārvarētu elektronisko ierīču nolasīšanas troksni, un reģistrēt detektora izstaroto fotonu skaitu noteiktā laika periodā, izmantojot detektora izejas elektriskā signāla dabiskās diskrētās īpašības vājas gaismas apstarojumā, un aprēķināt izmērītā mērķa informāciju atbilstoši fotonu mērītāja vērtībai. Lai realizētu ārkārtīgi vājas gaismas noteikšanu, dažādās valstīs ir pētīti daudzi dažādi instrumenti ar fotonu noteikšanas iespējām. Cietvielu lavīnu fotodiode (APD fotodetektors) ir ierīce, kas izmanto iekšējo fotoelektrisko efektu, lai noteiktu gaismas signālus. Salīdzinot ar vakuuma ierīcēm, cietvielu ierīcēm ir acīmredzamas priekšrocības reakcijas ātrumā, tumšo fragmentu skaitā, enerģijas patēriņā, tilpumā un magnētiskā lauka jutībā utt. Zinātnieki ir veikuši pētījumus, kuru pamatā ir cietvielu APD fotonu skaitīšanas attēlveidošanas tehnoloģija.

APD fotodetektora ierīceTā kā APD fotonu skaitīšanas attēlveidošanas tehnoloģijai ir divi darba režīmi — Geigera režīms (GM) un lineārais režīms (LM), tā galvenokārt izmanto Geigera režīma APD ierīci. Geigera režīma APD ierīcēm ir augsta jutība atsevišķu fotonu līmenī un augsts reakcijas ātrums desmitiem nanosekundžu, lai panāktu augstu laika precizitāti. Tomēr Geigera režīma APD ir dažas problēmas, piemēram, detektora dīkstāves laiks, zema noteikšanas efektivitāte, liela optiskā krustvārdu mīkla un zema telpiskā izšķirtspēja, tāpēc ir grūti optimizēt pretrunu starp augstu noteikšanas ātrumu un zemu viltus trauksmes līmeni. Fotonu skaitītāji, kuru pamatā ir gandrīz beztrokšņa augstas pastiprinājuma HgCdTe APD ierīces, darbojas lineārā režīmā, tiem nav dīkstāves laika un šķērsrunas ierobežojumu, tiem nav ar Geigera režīmu saistītas pēcimpulsa, nav nepieciešamas dzēšanas shēmas, tiem ir īpaši augsts dinamiskais diapazons, plašs un regulējams spektrālās reakcijas diapazons, un tos var neatkarīgi optimizēt noteikšanas efektivitātei un viltus skaitīšanas ātrumam. Tas paver jaunu infrasarkano fotonu skaitīšanas attēlveidošanas pielietojuma lauku, ir svarīgs fotonu skaitīšanas ierīču attīstības virziens un tam ir plašas pielietojuma perspektīvas astronomiskajā novērošanā, brīvas telpas komunikācijā, aktīvajā un pasīvajā attēlveidošanā, fringe izsekošanā un tā tālāk.

Fotonu skaitīšanas princips HgCdTe APD ierīcēs

APD fotodetektoru ierīces, kuru pamatā ir HgCdTe materiāli, var aptvert plašu viļņu garumu diapazonu, un elektronu un caurumu jonizācijas koeficienti ir ļoti atšķirīgi (sk. 1. attēlu (a)). Tām piemīt viena nesēja reizināšanas mehānisms robežviļņu garumā 1,3–11 µm. Gandrīz nav lieka trokšņa (salīdzinājumā ar Si APD ierīču liekā trokšņa koeficientu FSi~2–3 un III-V saimes ierīču FIII-V~4–5 (sk. 1. attēlu (b)), tāpēc ierīču signāla un trokšņa attiecība gandrīz nemazinās, palielinoties pastiprinājumam, kas ir ideāls infrasarkanā starojuma rādītājs.lavīnu fotodetektors.

1. attēls. (a) Dzīvsudraba kadmija telurīda materiāla trieciena jonizācijas koeficienta attiecības un Cd komponenta x attiecības sakarība; (b) APD ierīču ar dažādām materiālu sistēmām pārmērīgā trokšņa faktora F salīdzinājums

Fotonu skaitīšanas tehnoloģija ir jauna tehnoloģija, kas var digitāli iegūt optiskos signālus no termiskā trokšņa, izšķirot fotoelektronu impulsus, ko ģenerēfotodetektorspēc viena fotona saņemšanas. Tā kā vājas gaismas signāls ir vairāk izkliedēts laika domēnā, detektora izvadītais elektriskais signāls ir arī dabisks un diskrēts. Saskaņā ar šo vājas gaismas raksturlielumu, impulsu pastiprināšanas, impulsu diskriminācijas un digitālās skaitīšanas metodes parasti tiek izmantotas, lai noteiktu ārkārtīgi vāju gaismu. Mūsdienu fotonu skaitīšanas tehnoloģijai ir daudz priekšrocību, piemēram, augsta signāla un trokšņa attiecība, augsta diskriminācija, augsta mērījumu precizitāte, laba pretdreifēšanas aizsardzība, laba laika stabilitāte, un tā var izvadīt datus uz datoru digitālā signāla veidā turpmākai analīzei un apstrādei, ko citas noteikšanas metodes nepārspēj. Pašlaik fotonu skaitīšanas sistēma ir plaši izmantota rūpniecisko mērījumu un vājas gaismas noteikšanas jomā, piemēram, nelineārajā optikā, molekulārajā bioloģijā, īpaši augstas izšķirtspējas spektroskopijā, astronomiskajā fotometrijā, atmosfēras piesārņojuma mērījumos utt., kas ir saistītas ar vājas gaismas signālu iegūšanu un noteikšanu. Dzīvsudraba kadmija telurīda lavīnu fotodetektoram gandrīz nav lieka trokšņa, palielinoties pastiprinājumam, signāla un trokšņa attiecība nemazinās, un nav Geigera lavīnu ierīcēm raksturīgā dīkstāves laika un pēcimpulsa ierobežojumu, kas ir ļoti piemērots pielietojumam fotonu skaitīšanā un ir svarīgs fotonu skaitīšanas ierīču attīstības virziens nākotnē.