Introducción, tipo de conteo de fotonesfotodetector de avalancha lineal
La tecnología de conteo de fotones puede amplificar completamente la señal de los fotones para superar el ruido de lectura de los dispositivos electrónicos y registrar el número de fotones emitidos por el detector en un período determinado utilizando las características discretas naturales de la señal eléctrica de salida del detector bajo una irradiación de luz débil. Además, calcula la información del objetivo medido según el valor del fotómetro. Para lograr la detección de luz extremadamente débil, se han estudiado diversos tipos de instrumentos con capacidad de detección de fotones en diversos países. Un fotodiodo de avalancha de estado sólido (Fotodetector 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 evidentes en cuanto a velocidad de respuesta, conteo oscuro, consumo de energía, volumen y sensibilidad al campo magnético, entre otras. Los científicos han realizado investigaciones basadas en la tecnología de imágenes de conteo de fotones APD de estado sólido.
Dispositivo fotodetector APDCon dos modos de trabajo, el modo Geiger (GM) y el modo lineal (LM), la tecnología actual de conteo de fotones APD utiliza principalmente dispositivos APD en modo Geiger. Estos dispositivos tienen una alta sensibilidad a nivel de fotón único y una alta velocidad de respuesta de decenas de nanosegundos para obtener una alta precisión temporal. Sin embargo, el APD en modo Geiger presenta algunos problemas, como el tiempo muerto del detector, la baja eficiencia de detección, un gran crucigrama óptico y una baja resolución espacial, lo que dificulta optimizar la contradicción 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 casi silenciosos funcionan en modo lineal, no tienen restricciones de tiempo muerto ni diafonía, no tienen postpulso asociado con el modo Geiger, no requieren circuitos de extinción, tienen un rango dinámico ultraalto, un rango de respuesta espectral amplio y ajustable, y pueden optimizarse independientemente para la eficiencia de detección y la tasa de falsos conteos. Abre un nuevo campo de aplicación en la obtención de imágenes por conteo de fotones infrarrojos, es una dirección de desarrollo importante de los dispositivos de conteo de fotones y tiene amplias perspectivas de aplicación en la observación astronómica, la comunicación en el espacio libre, la obtención de imágenes activas y pasivas, el seguimiento de franjas, etc.
Principio del conteo de fotones en dispositivos APD de HgCdTe
Los fotodetectores APD basados en materiales HgCdTe pueden cubrir 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 portadora única dentro de la longitud de onda de corte de 1,3 a 11 µm. El ruido excesivo es prácticamente nulo (en comparación con el factor de ruido excesivo FSi~2-3 de los dispositivos APD de Si 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 prácticamente no disminuye con el aumento de la ganancia, lo cual constituye un espectro infrarrojo ideal.fotodetector de avalanchas.
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 excesivo 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 al resolver los pulsos de fotoelectrones generados por unfotodetectorTras recibir un solo fotón, la señal de baja luminosidad se dispersa con mayor frecuencia en el dominio temporal, por lo que la señal eléctrica emitida por el detector es natural y discreta. Debido a esta característica de la luz débil, se suelen emplear técnicas de amplificación y discriminación de pulsos y conteo digital para detectar luz extremadamente débil. La tecnología moderna de conteo de fotones ofrece numerosas ventajas, como una alta relación señal-ruido, alta discriminación, alta precisión de medición, buena antideriva, buena estabilidad temporal y la posibilidad de enviar datos a un ordenador en forma de señal digital para su posterior análisis y procesamiento, lo cual no tiene comparación con otros métodos de detección. Actualmente, el sistema de conteo de fotones se utiliza ampliamente en el campo de la medición industrial y la detección de baja luminosidad, como la óptica no lineal, la biología molecular, la espectroscopia de ultraalta resolución, la fotometría astronómica y la medición de la contaminación atmosférica, entre otros, relacionados con la adquisición y detección de señales de luz débil. El fotodetector de avalancha de telururo de mercurio y cadmio casi no tiene ruido excesivo, a medida que aumenta la ganancia, la relación señal-ruido no decae y no hay tiempo muerto ni restricción posterior al pulso relacionada con los dispositivos de avalancha Geiger, lo que es muy adecuado para la aplicación en el conteo de fotones y es una dirección de desarrollo importante de los dispositivos de conteo de fotones en el futuro.
Hora de publicación: 14 de enero de 2025