Einführung, Photonenzähltyplinearer Lawinenfotodetektor
Die Photonenzähltechnologie kann das Photonensignal vollständig verstärken, um das Ausleserauschen elektronischer Geräte zu überwinden, und die Anzahl der vom Detektor in einem bestimmten Zeitraum ausgegebenen Photonen aufzeichnen, indem sie die natürlichen diskreten Eigenschaften des elektrischen Ausgangssignals des Detektors bei schwacher Lichteinstrahlung nutzt , und berechnen Sie die Informationen des gemessenen Ziels entsprechend dem Wert des Photonenmessgeräts. Um eine extrem schwache Lichtdetektion zu realisieren, wurden in verschiedenen Ländern viele verschiedene Arten von Instrumenten mit Photonendetektionsfähigkeit untersucht. Eine Festkörper-Lawinenfotodiode (APD-Fotodetektor) ist ein Gerät, das den internen photoelektrischen Effekt zur Erkennung von Lichtsignalen nutzt. Im Vergleich zu Vakuumgeräten haben Festkörpergeräte offensichtliche Vorteile in Bezug auf Reaktionsgeschwindigkeit, Dunkelzählung, Stromverbrauch, Lautstärke und Magnetfeldempfindlichkeit usw. Wissenschaftler haben Forschungen auf der Grundlage der Festkörper-APD-Photonenzähl-Bildgebungstechnologie durchgeführt.
APD-Fotodetektorgerätverfügt über zwei Arbeitsmodi im Geiger-Modus (GM) und im Linear-Modus (LM). Die aktuelle APD-Photonenzähl-Bildgebungstechnologie verwendet hauptsächlich APD-Geräte im Geiger-Modus. APD-Geräte im Geiger-Modus verfügen über eine hohe Empfindlichkeit auf der Ebene einzelner Photonen und eine hohe Reaktionsgeschwindigkeit von mehreren zehn Nanosekunden, um eine hohe Zeitgenauigkeit zu erzielen. Allerdings weist die APD im Geiger-Modus einige Probleme auf, wie z. B. Totzeit des Detektors, geringe Erkennungseffizienz, großes optisches Kreuzworträtsel und geringe räumliche Auflösung, sodass es schwierig ist, den Widerspruch zwischen hoher Erkennungsrate und niedriger Fehlalarmrate zu optimieren. Photonenzähler, die auf nahezu rauschfreien HgCdTe-APD-Geräten mit hoher Verstärkung basieren, arbeiten im linearen Modus, haben keine Totzeit- und Übersprechbeschränkungen, haben keinen mit dem Geiger-Modus verbundenen Nachimpuls, erfordern keine Löschschaltungen, haben einen extrem hohen Dynamikbereich und sind breit und abstimmbaren spektralen Reaktionsbereich und können unabhängig hinsichtlich der Erkennungseffizienz und der Falschzählrate optimiert werden. Es eröffnet ein neues Anwendungsfeld der Infrarot-Photonenzähl-Bildgebung, ist eine wichtige Entwicklungsrichtung von Photonenzählgeräten und bietet breite Anwendungsaussichten in der astronomischen Beobachtung, der Freiraumkommunikation, der aktiven und passiven Bildgebung, der Streifenverfolgung usw.
Prinzip der Photonenzählung in HgCdTe-APD-Geräten
Auf HgCdTe-Materialien basierende APD-Fotodetektorgeräte können einen weiten Wellenlängenbereich abdecken und die Ionisationskoeffizienten von Elektronen und Löchern sind sehr unterschiedlich (siehe Abbildung 1 (a)). Sie weisen einen Einzelträgervervielfachungsmechanismus innerhalb der Grenzwellenlänge von 1,3–11 µm auf. Es gibt fast kein übermäßiges Rauschen (verglichen mit dem übermäßigen Rauschfaktor FSi~2-3 von Si-APD-Geräten und FIII-V~4-5 von Geräten der III-V-Familie (siehe Abbildung 1 (b)), sodass das Signal- Das Rauschverhältnis der Geräte nimmt mit zunehmender Verstärkung nahezu nicht ab, was einem idealen Infrarot entsprichtLawinenfotodetektor.
FEIGE. 1 (a) Beziehung zwischen dem Stoßionisationskoeffizientenverhältnis von Quecksilber-Cadmiumtellurid-Material und der Komponente x von Cd; (b) Vergleich des übermäßigen 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 a erzeugten Photoelektronenimpulse auflöstFotodetektornach dem Empfang eines einzelnen Photons. Da das Schwachlichtsignal im Zeitbereich stärker gestreut ist, ist auch das vom Detektor ausgegebene elektrische Signal natürlich und diskret. Entsprechend dieser Charakteristik von schwachem Licht werden zur Erkennung extrem schwachen Lichts üblicherweise Impulsverstärkung, Impulsunterscheidung und digitale Zähltechniken eingesetzt. Die moderne Photonenzähltechnologie bietet viele Vorteile, wie z. B. ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis, eine hohe Unterscheidungsfähigkeit, eine hohe Messgenauigkeit, einen guten Driftschutz, eine gute Zeitstabilität und kann Daten in Form eines digitalen Signals zur anschließenden Analyse an den Computer ausgeben und Verarbeitung, die von anderen Erkennungsmethoden nicht erreicht werden kann. Gegenwärtig wird das Photonenzählsystem häufig in den Bereichen industrielle Messung und Schwachlichterkennung eingesetzt, beispielsweise in der nichtlinearen Optik, Molekularbiologie, ultrahochauflösenden Spektroskopie, astronomischen Photometrie, Messung der Luftverschmutzung usw., die damit zusammenhängen zur Erfassung und Erkennung schwacher Lichtsignale. Der Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Lawinenfotodetektor weist fast kein übermäßiges Rauschen auf, da mit zunehmender Verstärkung das Signal-Rausch-Verhältnis nicht abnimmt und es keine Totzeit- und Nachimpulsbeschränkung im Zusammenhang mit Geiger-Lawinengeräten gibt, was sehr gut geeignet ist Anwendung bei der Photonenzählung und ist eine wichtige Entwicklungsrichtung für Photonenzählgeräte in der Zukunft.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 14. Januar 2025