Introducción, tipo de conteo de fotonesfotodetector de avalancha lineal
La tecnología de conteo de fotones puede amplificar completamente la señal de fotones para superar el ruido de lectura de los dispositivos electrónicos y registrar el número de fotones emitidos por el detector en un período de tiempo determinado, utilizando las características discretas naturales de la señal eléctrica de salida del detector bajo irradiación de luz débil, y calcular la información del objetivo medido según el valor del fotómetro. Para lograr la detección de luz extremadamente débil, se han estudiado en varios países diversos instrumentos con capacidad de detección de fotones. Un fotodiodo de avalancha de estado sólido (fotodetector APDEl fotodetector de avalancha (APD) es un dispositivo que utiliza el efecto fotoeléctrico interno para detectar señales luminosas. En comparación con los dispositivos de vacío, los dispositivos de estado sólido presentan ventajas significativas en cuanto a velocidad de respuesta, conteo oscuro, consumo de energía, tamaño y sensibilidad a campos magnéticos, entre otras. Diversos estudios han aplicado la tecnología de imagen por conteo de fotones basada en APD de estado sólido.
dispositivo fotodetector APDLa tecnología actual de imagen por conteo de fotones con fotodiodos de avalancha (APD) utiliza principalmente dispositivos APD en modo Geiger, que cuentan con dos modos de funcionamiento: Geiger (GM) y lineal (LM). Estos dispositivos ofrecen alta sensibilidad a nivel de fotón individual y una velocidad de respuesta del orden de decenas de nanosegundos, lo que permite obtener una alta precisión temporal. Sin embargo, el modo Geiger presenta algunos problemas, como tiempo muerto del detector, baja eficiencia de detección, gran diafonía óptica y baja resolución espacial, lo que dificulta optimizar el equilibrio entre una alta tasa de detección y una baja tasa de falsas alarmas. Los contadores de fotones basados en dispositivos APD de HgCdTe de alta ganancia y prácticamente sin ruido operan en modo lineal, no presentan restricciones de tiempo muerto ni diafonía, carecen del postpulso asociado al modo Geiger, no requieren circuitos de extinción, poseen un rango dinámico ultraalto, un rango de respuesta espectral amplio y ajustable, y pueden optimizarse de forma independiente para la eficiencia de detección y la tasa de falsos conteos. Abre un nuevo campo de aplicación para la obtención de imágenes mediante conteo de fotones infrarrojos, constituye una importante dirección de desarrollo para los dispositivos de conteo de fotones y tiene amplias perspectivas de aplicación en observación astronómica, comunicación en el espacio libre, obtención de imágenes activas y pasivas, seguimiento de franjas, etc.
Principio de conteo de fotones en dispositivos APD de HgCdTe
Los fotodetectores APD basados en materiales de HgCdTe cubren un amplio rango de longitudes de onda, y los coeficientes de ionización de electrones y huecos son muy diferentes (véase la figura 1(a)). Presentan un mecanismo de multiplicación de portadores único dentro del rango de longitud de onda de corte de 1,3 a 11 µm. El ruido adicional es prácticamente nulo (en comparación con el factor de ruido adicional FSi~2-3 de los fotodetectores APD de silicio y FIII-V~4-5 de los dispositivos de la familia III-V (véase la figura 1(b))), por lo que la relación señal/ruido de los dispositivos apenas disminuye al aumentar la ganancia, lo que los convierte en un material ideal para el infrarrojo.fotodetector de avalancha.
FIG. 1 (a) Relación entre el coeficiente de ionización por impacto del material de telururo de mercurio y cadmio y el componente x de Cd; (b) Comparación del factor de ruido en exceso F de dispositivos APD con diferentes sistemas de materiales
La tecnología de conteo de fotones es una nueva tecnología que puede extraer digitalmente señales ópticas del ruido térmico mediante la resolución de los pulsos de fotoelectrones generados por unfotodetectorTras recibir un solo fotón, la señal eléctrica emitida por el detector, debido a su baja luminosidad, se dispersa más en el tiempo. Por ello, resulta natural y discreta. En función de esta característica, se suelen emplear técnicas de amplificación y discriminación de pulsos, así como de conteo digital, para detectar luz extremadamente débil. La moderna tecnología de conteo de fotones ofrece numerosas ventajas, como una alta relación señal/ruido, alta discriminación, gran precisión de medición, buena resistencia a la deriva, buena estabilidad temporal y la capacidad de enviar datos a un ordenador en forma de señal digital para su posterior análisis y procesamiento, características inigualables por otros métodos de detección. Actualmente, el sistema de conteo de fotones se utiliza ampliamente en la medición industrial y la detección de baja luminosidad, en campos como la óptica no lineal, la biología molecular, la espectroscopia de ultra alta resolución, la fotometría astronómica y la medición de la contaminación atmosférica, entre otros, donde la adquisición y detección de señales de luz débil son fundamentales. El fotodetector de avalancha de telururo de cadmio y mercurio prácticamente no tiene ruido excesivo; a medida que aumenta la ganancia, la relación señal/ruido no disminuye y no presenta tiempo muerto ni restricción post-pulso relacionados con los dispositivos de avalancha Geiger, lo que lo hace muy adecuado para su aplicación en el conteo de fotones y constituye una importante dirección de desarrollo de los dispositivos de conteo de fotones en el futuro.
Fecha de publicación: 14 de enero de 2025