Introduzione, tipologia di conteggio dei fotonifotorivelatore lineare da valanga
La tecnologia di conteggio dei fotoni può amplificare completamente il segnale dei fotoni per superare il rumore di lettura dei dispositivi elettronici e registrare il numero di fotoni emessi dal rilevatore in un certo periodo di tempo utilizzando le caratteristiche discrete naturali del segnale elettrico di uscita del rilevatore in condizioni di debole irradiazione luminosa e calcolare le informazioni del bersaglio misurato in base al valore del misuratore di fotoni. Per realizzare il rilevamento della luce estremamente debole, in vari paesi sono stati studiati molti tipi diversi di strumenti con capacità di rilevamento dei fotoni. Un fotodiodo a valanga allo stato solido (Fotorivelatore APD) è un dispositivo che sfrutta l'effetto fotoelettrico interno per rilevare segnali luminosi. Rispetto ai dispositivi a vuoto, i dispositivi a stato solido presentano evidenti vantaggi in termini di velocità di risposta, conteggio del buio, consumo energetico, sensibilità al volume e al campo magnetico, ecc. Gli scienziati hanno condotto ricerche basate sulla tecnologia di imaging di conteggio dei fotoni APD a stato solido.
Dispositivo fotorilevatore APDha la modalità Geiger (GM) e la modalità lineare (LM) due modalità di funzionamento, l'attuale tecnologia di imaging per il conteggio dei fotoni APD utilizza principalmente il dispositivo APD in modalità Geiger. I dispositivi APD in modalità Geiger hanno un'elevata sensibilità a livello di singolo fotone e un'elevata velocità di risposta di decine di nanosecondi per ottenere un'elevata precisione temporale. Tuttavia, la modalità Geiger APD presenta alcuni problemi come il tempo morto del rilevatore, una bassa efficienza di rilevamento, un cruciverba ottico di grandi dimensioni e una bassa risoluzione spaziale, quindi è difficile ottimizzare la contraddizione tra un tasso di rilevamento elevato e un tasso basso di falsi allarmi. I contatori di fotoni basati su dispositivi APD HgCdTe ad alto guadagno quasi silenziosi funzionano in modalità lineare, non hanno tempi morti e restrizioni di diafonia, non hanno post-impulso associato alla modalità Geiger, non richiedono circuiti di quench, hanno una gamma dinamica ultraelevata, ampio e intervallo di risposta spettrale sintonizzabile e può essere ottimizzato in modo indipendente per l'efficienza di rilevamento e il tasso di conteggi falsi. Apre un nuovo campo di applicazione dell'imaging per il conteggio dei fotoni a infrarossi, è un'importante direzione di sviluppo dei dispositivi per il conteggio dei fotoni e ha ampie prospettive di applicazione nell'osservazione astronomica, nella comunicazione nello spazio libero, nell'imaging attivo e passivo, nel tracciamento delle frange e così via.
Principio del conteggio dei fotoni nei dispositivi APD HgCdTe
I dispositivi fotorilevatori APD basati su materiali HgCdTe possono coprire un'ampia gamma di lunghezze d'onda e i coefficienti di ionizzazione di elettroni e lacune sono molto diversi (vedere Figura 1 (a)). Presentano un meccanismo di moltiplicazione a portante singola all'interno della lunghezza d'onda di taglio di 1,3~11 µm. Non c'è quasi alcun rumore in eccesso (rispetto al fattore di rumore in eccesso FSi~2-3 dei dispositivi Si APD e FIII-V~4-5 dei dispositivi della famiglia III-V (vedere Figura 1 (b)), in modo che il segnale- il rapporto rumore-rumore dei dispositivi quasi non diminuisce con l'aumento del guadagno, che è un infrarosso idealefotorivelatore da valanga.
FICO. 1 (a) Rapporto tra il rapporto del coefficiente di ionizzazione d'urto del materiale tellururo di mercurio-cadmio e il componente x del Cd; (b) Confronto del fattore di rumore in eccesso F dei dispositivi APD con diversi sistemi di materiali
La tecnologia di conteggio dei fotoni è una nuova tecnologia in grado di estrarre digitalmente segnali ottici dal rumore termico risolvendo gli impulsi fotoelettronici generati da unfotorivelatoredopo aver ricevuto un singolo fotone. Poiché il segnale in condizioni di scarsa illuminazione è maggiormente disperso nel dominio del tempo, anche il segnale elettrico emesso dal rilevatore è naturale e discreto. In base a questa caratteristica della luce debole, per rilevare la luce estremamente debole vengono solitamente utilizzate tecniche di amplificazione degli impulsi, discriminazione degli impulsi e conteggio digitale. La moderna tecnologia di conteggio dei fotoni presenta molti vantaggi, come un elevato rapporto segnale-rumore, elevata discriminazione, elevata precisione di misurazione, buona antideriva, buona stabilità temporale e può inviare dati al computer sotto forma di segnale digitale per la successiva analisi ed elaborazione, che non ha eguali rispetto ad altri metodi di rilevamento. Allo stato attuale, il sistema di conteggio dei fotoni è stato ampiamente utilizzato nel campo della misurazione industriale e del rilevamento in condizioni di scarsa illuminazione, come l'ottica non lineare, la biologia molecolare, la spettroscopia ad altissima risoluzione, la fotometria astronomica, la misurazione dell'inquinamento atmosferico, ecc., che sono correlati all’acquisizione e rivelazione di deboli segnali luminosi. Il fotorilevatore da valanga al tellururo di mercurio-cadmio non ha quasi alcun rumore in eccesso, poiché il guadagno aumenta, il rapporto segnale-rumore non decade e non vi sono tempi morti e restrizioni post-impulso relative ai dispositivi da valanga Geiger, che è molto adatto per applicazione nel conteggio dei fotoni e rappresenta un'importante direzione di sviluppo dei dispositivi di conteggio dei fotoni in futuro.
Orario di pubblicazione: 14 gennaio 2025