Einführung, Photonenzählverfahrenlinearer Lawinenfotodetektor
Die Photonenzähltechnologie kann das Photonensignal vollständig verstärken, um das Ausleserauschen elektronischer Geräte zu überwinden. Sie erfasst die Anzahl der vom Detektor innerhalb eines bestimmten Zeitraums ausgegebenen Photonen, indem sie die natürlichen diskreten Eigenschaften des elektrischen Ausgangssignals des Detektors unter schwacher Lichteinstrahlung nutzt und die Informationen über das Messobjekt anhand des Messwerts berechnet. Um die Detektion extrem schwachen Lichts zu realisieren, wurden in verschiedenen Ländern zahlreiche Instrumente mit Photonendetektionsfähigkeit erforscht. Eine Festkörper-Lawinenfotodiode (APD-FotodetektorEine Festkörper-Photodiode (APD) ist ein Gerät, das den internen photoelektrischen Effekt zur Detektion von Lichtsignalen nutzt. Im Vergleich zu Vakuumdetektoren bieten Festkörper-Photodioden deutliche Vorteile hinsichtlich Ansprechgeschwindigkeit, Dunkelzählrate, Stromverbrauch, Größe und Magnetfeldempfindlichkeit. Wissenschaftler haben auf Basis der Festkörper-APD-Photonenzähltechnologie Forschung betrieben.
APD-FotodetektorvorrichtungDie APD-Photonenzähltechnologie verfügt über zwei Betriebsmodi: den Geiger-Modus (GM) und den linearen Modus (LM). Aktuelle APD-Photonenzähl-Bildgebungsverfahren nutzen hauptsächlich APD-Bauelemente im Geiger-Modus. Diese zeichnen sich durch eine hohe Empfindlichkeit im Einzelphotonenbereich und eine schnelle Ansprechzeit im Bereich von einigen zehn Nanosekunden aus, was eine hohe Zeitgenauigkeit ermöglicht. Allerdings weisen Geiger-APDs Nachteile wie Totzeit, geringe Detektionseffizienz, ein großes optisches Kreuzworträtsel und eine geringe Ortsauflösung auf, wodurch die Optimierung des Zielkonflikts zwischen hoher Detektionsrate und niedriger Falschalarmrate erschwert wird. Photonenzähler auf Basis nahezu rauschfreier HgCdTe-APD-Bauelemente mit hoher Verstärkung arbeiten im linearen Modus, weisen keine Totzeit- und Übersprechbeschränkungen auf, haben keine Nachimpulse wie im Geiger-Modus, benötigen keine Löschschaltungen, bieten einen extrem hohen Dynamikbereich, einen breiten und abstimmbaren spektralen Ansprechbereich und ermöglichen die unabhängige Optimierung von Detektionseffizienz und Falschalarmrate. Es eröffnet ein neues Anwendungsgebiet für die Infrarot-Photonenzählbildgebung, stellt eine wichtige Entwicklungsrichtung für Photonenzählgeräte dar und bietet breite Anwendungsmöglichkeiten in der astronomischen Beobachtung, der Freiraumkommunikation, der aktiven und passiven Bildgebung, der Streifenverfolgung und so weiter.
Prinzip der Photonenzählung in HgCdTe-APD-Bauelementen
APD-Photodetektoren auf Basis von HgCdTe-Materialien decken einen breiten Wellenlängenbereich ab, wobei sich die Ionisationskoeffizienten von Elektronen und Löchern stark unterscheiden (siehe Abb. 1 (a)). Sie weisen im Grenzwellenlängenbereich von 1,3–11 µm einen Einzelträgervervielfachungsmechanismus auf. Im Vergleich zum Rauschfaktor FSi ~ 2–3 von Si-APD-Bauelementen und FIII-V ~ 4–5 von III-V-Bauelementen (siehe Abb. 1 (b)) ist das Rauschen nahezu vernachlässigbar. Daher sinkt das Signal-Rausch-Verhältnis der Bauelemente mit zunehmender Verstärkung kaum, was sie zu idealen Infrarotdetektoren macht.Lawinenfotodetektor.
Abb. 1 (a) Zusammenhang zwischen dem Stoßionisationskoeffizientenverhältnis von Quecksilber-Cadmium-Tellurid und der Cd-Komponente x; (b) Vergleich des Überschussrauschfaktors F von APD-Bauelementen mit unterschiedlichen Materialsystemen
Die Photonenzähltechnologie ist eine neue Technologie, die optische Signale digital aus dem thermischen Rauschen extrahieren kann, indem sie die von einem Detektor erzeugten Photoelektronenimpulse auflöst.FotodetektorNach dem Empfang eines einzelnen Photons ist das vom Detektor ausgegebene elektrische Signal aufgrund der stärkeren zeitlichen Streuung des schwachen Lichtsignals natürlich und diskret. Aufgrund dieser Eigenschaft werden zur Detektion extrem schwachen Lichts üblicherweise Pulsverstärkung, Pulsdiskriminierung und digitale Zählverfahren eingesetzt. Moderne Photonenzähltechniken bieten zahlreiche Vorteile, wie ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis, hohe Diskriminierungsfähigkeit, hohe Messgenauigkeit, gute Driftstabilität und Zeitstabilität. Zudem können die Daten als digitales Signal zur anschließenden Analyse und Verarbeitung an einen Computer ausgegeben werden – Vorteile, die andere Detektionsmethoden nicht bieten. Photonenzählsysteme finden heutzutage breite Anwendung in der industriellen Messtechnik und der Schwachlichtdetektion, beispielsweise in der nichtlinearen Optik, der Molekularbiologie, der Ultrahochauflösungsspektroskopie, der astronomischen Photometrie und der Messung der Luftverschmutzung. Diese Anwendungen beziehen sich auf die Erfassung und Detektion schwacher Lichtsignale. Der Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Lawinenphotodetektor weist nahezu kein Überschussrauschen auf; mit zunehmender Verstärkung nimmt das Signal-Rausch-Verhältnis nicht ab, und es gibt keine Totzeit und keine Nachimpulsbeschränkung, die bei Geiger-Lawinendetektoren auftreten. Er eignet sich daher sehr gut für Anwendungen in der Photonenzählung und stellt eine wichtige Entwicklungsrichtung für Photonenzählgeräte in der Zukunft dar.
Veröffentlichungsdatum: 14. Januar 2025