Einführung, Photonenzähltyplinearer Lawinenphotodetektor
Die Photonenzähltechnologie kann das Photonensignal vollständig verstärken, um das Ausleserauschen elektronischer Geräte zu überwinden. Sie erfasst die Anzahl der vom Detektor in einem bestimmten Zeitraum ausgegebenen Photonen unter Ausnutzung der natürlichen diskreten Eigenschaften des elektrischen Ausgangssignals des Detektors bei schwacher Lichteinstrahlung und berechnet die Informationen zum gemessenen Zielobjekt anhand des Photonenzählerwerts. Um die Detektion extrem schwachen Lichts zu ermöglichen, wurden in verschiedenen Ländern verschiedene Instrumente mit Photonendetektionsfunktion untersucht. Eine Festkörper-Lawinenphotodiode (APD-Fotodetektor) ist ein Gerät, das den internen photoelektrischen Effekt zur Erkennung von Lichtsignalen nutzt. Im Vergleich zu Vakuumgeräten bieten Festkörpergeräte deutliche Vorteile hinsichtlich Reaktionsgeschwindigkeit, Dunkelzählung, Stromverbrauch, Volumen und Magnetfeldempfindlichkeit usw. Wissenschaftler haben Forschungen auf Basis der Festkörper-APD-Photonenzähl-Bildgebungstechnologie durchgeführt.
APD-Fotodetektorgeräthat den Geiger-Modus (GM) und den linearen Modus (LM), zwei Arbeitsmodi. Die aktuelle APD-Photonenzähl-Bildgebungstechnologie verwendet hauptsächlich APD-Geräte im Geiger-Modus. APD-Geräte im Geiger-Modus haben eine hohe Empfindlichkeit auf der Ebene einzelner Photonen und eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit im zweistelligen Nanosekundenbereich, um eine hohe Zeitgenauigkeit zu erzielen. Allerdings sind APD-Geräte im Geiger-Modus mit einigen Problemen behaftet, wie z. B. Detektor-Totzeit, geringe Erfassungseffizienz, großes optisches Kreuzworträtsel und geringe räumliche Auflösung, sodass es schwierig ist, den Widerspruch zwischen hoher Erfassungsrate und geringer Falschalarmrate zu optimieren. Photonenzähler auf Basis nahezu rauschfreier HgCdTe-APD-Geräte mit hoher Verstärkung arbeiten im linearen Modus, haben keine Totzeit- und Übersprechbeschränkungen, keinen mit dem Geiger-Modus verbundenen Nachimpuls, benötigen keine Löschschaltungen, haben einen ultrahohen Dynamikbereich, einen breiten und abstimmbaren spektralen Reaktionsbereich und können unabhängig voneinander hinsichtlich Erfassungseffizienz und Falschzählrate optimiert werden. Es eröffnet ein neues Anwendungsfeld der 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 usw.
Prinzip der Photonenzählung in HgCdTe-APD-Geräten
APD-Photodetektoren auf Basis von HgCdTe-Materialien decken einen weiten Wellenlängenbereich ab, wobei die Ionisationskoeffizienten von Elektronen und Löchern sehr unterschiedlich sind (siehe Abbildung 1 (a)). Sie weisen einen einzigen Ladungsträgervervielfachungsmechanismus innerhalb der Grenzwellenlänge von 1,3 bis 11 µm auf. Es gibt nahezu kein übermäßiges Rauschen (im Vergleich zum Rauschfaktor FSi~2-3 von Si-APD-Bauelementen und FIII-V~4-5 von Bauelementen der III-V-Familie (siehe Abbildung 1 (b)), sodass das Signal-Rausch-Verhältnis der Bauelemente mit zunehmender Verstärkung nahezu unverändert bleibt. Dies stellt eine ideale Infrarot-Lawinenphotodetektor.
Abb. 1 (a) Beziehung zwischen dem Stoßionisationskoeffizientenverhältnis von Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Material und der Komponente x von Cd; (b) Vergleich des Rauschfaktors F von APD-Geräten mit unterschiedlichen Materialsystemen
Die Photonenzähltechnologie ist eine neue Technologie, die optische Signale digital aus thermischem Rauschen extrahieren kann, indem sie die von einemFotodetektornach dem Empfang eines einzelnen Photons. Da das Schwachlichtsignal zeitlich stärker gestreut ist, ist auch das vom Detektor ausgegebene elektrische Signal natürlich und diskret. Aufgrund dieser Eigenschaft schwachen Lichts werden üblicherweise Impulsverstärkung, Impulsunterscheidung und digitale Zähltechniken eingesetzt, um extrem schwaches Licht zu erkennen. Moderne Photonenzähltechnologie bietet viele Vorteile, wie z. B. ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis, eine hohe Unterscheidung, eine hohe Messgenauigkeit, eine gute Driftfestigkeit und eine gute Zeitstabilität. Außerdem kann sie Daten in Form digitaler Signale zur anschließenden Analyse und Verarbeitung an den Computer ausgeben, was bei anderen Detektionsmethoden nicht möglich ist. Derzeit wird das Photonenzählsystem häufig in den Bereichen der industriellen Messung und Schwachlichtdetektion eingesetzt, beispielsweise in der nichtlinearen Optik, Molekularbiologie, hochauflösenden Spektroskopie, astronomischen Photometrie, Messung der Luftverschmutzung usw., die mit der Erfassung und Erkennung schwacher Lichtsignale zu tun haben. Der Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Lawinenphotodetektor weist nahezu kein übermäßiges Rauschen auf, da sich mit zunehmender Verstärkung das Signal-Rausch-Verhältnis nicht verschlechtert und es keine Totzeit und Nachimpulsbeschränkung gibt, die mit Geiger-Lawinenphotodetektoren in Zusammenhang stehen. Daher eignet er sich sehr gut für die Anwendung bei der Photonenzählung und stellt eine wichtige Entwicklungsrichtung für Photonenzählgeräte in der Zukunft dar.
Veröffentlichungszeit: 14. Januar 2025