Introduktion, fotonräkningstyplinjär lavinfotodetektor
Fotonräkningsteknik kan helt förstärka fotonsignalen för att övervinna avläsningsbruset från elektroniska enheter, och registrera antalet fotoner som matas ut av detektorn under en viss tidsperiod genom att använda de naturliga diskreta egenskaperna hos detektorns utgående elektriska signal under svag ljusbestrålning, och beräkna informationen om det uppmätta målet enligt fotonmätarens värde. För att uppnå extremt svag ljusdetektering har många olika typer av instrument med fotondetekteringskapacitet studerats i olika länder. En halvledarfotodiod med lavinfunktion (APD-fotodetektor) är en anordning som använder den interna fotoelektriska effekten för att detektera ljussignaler. Jämfört med vakuumanordningar har fasta anordningar uppenbara fördelar vad gäller svarshastighet, mörkerräkning, strömförbrukning, volym- och magnetfältskänslighet etc. Forskare har utfört forskning baserad på fasta anordningar för fotonräkning med APD.
APD-fotodetektorenhetMed Geiger-läge (GM) och linjärt läge (LM) som två arbetslägen använder den nuvarande APD-fotonräkningstekniken huvudsakligen Geiger-läges APD-enheter. Geiger-läges APD-enheter har hög känslighet på nivån för enstaka fotoner och hög svarshastighet på tiotals nanosekunder för att uppnå hög tidsnoggrannhet. Geiger-läges APD har dock vissa problem, såsom detektorns dödtid, låg detektionseffektivitet, stora optiska korsord och låg spatial upplösning, så det är svårt att optimera motsättningen mellan hög detektionsfrekvens och låg falsklarmsfrekvens. Fotonräknare baserade på nästan brusfria högförstärkande HgCdTe APD-enheter arbetar i linjärt läge, har inga dödtids- och överhörningsbegränsningar, har ingen efterpuls associerad med Geiger-läge, kräver inga släckkretsar, har ultrahögt dynamiskt omfång, brett och avstämbart spektralresponsområde och kan optimeras oberoende för detektionseffektivitet och falsk räkningsfrekvens. Det öppnar upp ett nytt tillämpningsområde för infraröd fotonräkningsavbildning, är en viktig utvecklingsriktning för fotonräkningsenheter och har breda tillämpningsmöjligheter inom astronomisk observation, frirymdskommunikation, aktiv och passiv avbildning, fransspårning och så vidare.
Principen för fotonräkning i HgCdTe APD-enheter
APD-fotodetektorer baserade på HgCdTe-material kan täcka ett brett spektrum av våglängder, och joniseringskoefficienterna för elektroner och hål är mycket olika (se figur 1 (a)). De uppvisar en multiplikationsmekanism för en enda bärvåg inom gränsvåglängden 1,3~11 µm. Det finns nästan inget överskottsbrus (jämfört med överskottsbrusfaktorn FSi~2-3 för Si APD-enheter och FIII-V~4-5 för enheter i III-V-familjen (se figur 1 (b)), så att signal-brusförhållandet för enheterna nästan inte minskar med ökande förstärkning, vilket är ett idealiskt infrarött ljus.lavinfotodetektor.
FIG. 1 (a) Samband mellan joniseringskoefficientförhållandet för kvicksilver-kadmiumtelluridmaterial och komponent x i Cd; (b) Jämförelse av brusfaktorn F för APD-komponenter med olika materialsystem
Fotonräkningsteknik är en ny teknik som digitalt kan extrahera optiska signaler från termiskt brus genom att lösa upp fotoelektronpulserna som genereras av enfotodetektorefter att ha mottagit en enda foton. Eftersom signalen i svagt ljus är mer spridd i tidsdomänen är den elektriska signalen som matas ut av detektorn också naturlig och diskret. Enligt denna egenskap hos svagt ljus används vanligtvis pulsförstärkning, pulsdiskriminering och digitala räknetekniker för att detektera extremt svagt ljus. Modern fotonräkningsteknik har många fördelar, såsom högt signal-brusförhållande, hög diskriminering, hög mätnoggrannhet, god anti-drift, god tidsstabilitet och kan mata ut data till datorn i form av digitala signaler för efterföljande analys och bearbetning, vilket är oöverträffat av andra detektionsmetoder. För närvarande har fotonräkningssystemet använts i stor utsträckning inom industriell mätning och detektering i svagt ljus, såsom ickelinjär optik, molekylärbiologi, ultrahögupplöst spektroskopi, astronomisk fotometri, mätning av atmosfäriska föroreningar etc., vilka är relaterade till förvärv och detektering av svaga ljussignaler. Lavinfotodetektorn med kvicksilver och kadmiumtellurid har nästan inget överskottsbrus. När förstärkningen ökar minskar inte signal-brusförhållandet och det finns ingen dödtids- eller efterpulsbegränsning relaterad till Geiger-lavinanordningar, vilket är mycket lämpligt för tillämpning inom fotonräkning och är en viktig utvecklingsriktning för fotonräkningsanordningar i framtiden.
Publiceringstid: 14 januari 2025