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 una irradiación de luz débil, y calcular la información del objetivo medido de acuerdo con el valor del fotómetro. Para lograr la detección de luz extremadamente débil, se han estudiado muchos tipos diferentes de instrumentos con capacidad de detección de fotones en varios países. Un fotodiodo de avalancha de estado sólido (fotodetector APDEl fotodiodo 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 evidentes en cuanto a velocidad de respuesta, conteo oscuro, consumo de energía, volumen y sensibilidad al campo magnético, entre otros aspectos. Los científicos han llevado a cabo investigaciones basadas en la tecnología de imagen por conteo de fotones con APD de estado sólido.
Dispositivo fotodetector APDCon dos modos de funcionamiento, el modo Geiger (GM) y el modo lineal (LM), la tecnología actual de imágenes de conteo de fotones APD utiliza principalmente dispositivos APD en modo Geiger. Los dispositivos APD en modo Geiger tienen alta sensibilidad a nivel de fotón único y alta velocidad de respuesta de decenas de nanosegundos para obtener alta precisión temporal. Sin embargo, el APD en modo Geiger tiene algunos problemas como tiempo muerto del detector, baja eficiencia de detección, gran diafonía óptica y baja resolución espacial, por lo que es difícil optimizar la contradicción entre alta tasa de detección y baja tasa de falsas alarmas. Los contadores de fotones basados en dispositivos APD de HgCdTe de alta ganancia casi sin ruido operan en modo lineal, no tienen tiempo muerto ni restricciones de diafonía, no tienen postpulso asociado con el modo Geiger, no requieren circuitos de extinción, tienen un rango dinámico ultra alto, un rango de respuesta espectral amplio y sintonizable, y pueden optimizarse independientemente 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, representa una importante dirección de desarrollo para 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 de 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 portador único dentro de la longitud de onda de corte de 1,3~11 µm. Prácticamente no hay ruido excesivo (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 que resulta ideal para el infrarrojo.fotodetector de avalanchas.
FIG. 1 (a) Relación entre la relación del 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 resolviendo los pulsos de fotoelectrones generados por unfotodetectorTras recibir un solo fotón, dado que la señal de baja luminosidad se dispersa más en el dominio temporal, la señal eléctrica emitida por el detector es natural y discreta. Debido a esta característica de la luz débil, se suelen utilizar técnicas de amplificación y discriminación de pulsos, así como de 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 resistencia a la deriva, buena estabilidad temporal y la posibilidad de enviar datos al ordenador en forma de señal digital para su posterior análisis y procesamiento, características que no se encuentran en 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 ultra alta resolución, la fotometría astronómica y la medición de la contaminación atmosférica, entre otras, relacionadas con la adquisición y detección de señales de luz débil. El fotodetector de avalancha de telururo de mercurio y cadmio prácticamente no presenta ruido excesivo; a medida que aumenta la ganancia, la relación señal-ruido no disminuye, y no presenta el tiempo muerto ni las restricciones posteriores al pulso propias de los dispositivos de avalancha Geiger, lo que lo hace muy adecuado para su aplicación en el conteo de fotones y representa una importante dirección de desarrollo para los dispositivos de conteo de fotones en el futuro.
Fecha de publicación: 14 de enero de 2025