Introduzione, tipo di conteggio dei fotonifotodetector di valanga lineare
La tecnologia di conteggio dei fotoni può amplificare completamente il segnale fotonico per superare il rumore di lettura dei dispositivi elettronici e registrare il numero di fotoni emessi dal rivelatore in un determinato intervallo di tempo, utilizzando le caratteristiche discrete naturali del segnale elettrico in uscita dal rivelatore in condizioni di debole irradiazione luminosa, e calcolare le informazioni relative al bersaglio misurato in base al valore del fotometro. Per realizzare il rilevamento di luce estremamente debole, in diversi paesi sono stati studiati diversi tipi di strumenti con capacità di rilevamento dei fotoni. Un fotodiodo a valanga allo stato solido (Fotodiodo APD) è un dispositivo che utilizza l'effetto fotoelettrico interno per rilevare i 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, volume e sensibilità al campo magnetico, ecc. Gli scienziati hanno condotto ricerche basate sulla tecnologia di imaging a conteggio di fotoni APD a stato solido.
Dispositivo fotodetettore APDDispone di due modalità di funzionamento, la modalità Geiger (GM) e la modalità lineare (LM). L'attuale tecnologia di imaging a conteggio di fotoni APD utilizza principalmente dispositivi APD in modalità Geiger. I dispositivi APD in modalità Geiger offrono un'elevata sensibilità al singolo fotone e un'elevata velocità di risposta di decine di nanosecondi, garantendo un'elevata accuratezza temporale. Tuttavia, i dispositivi APD in modalità Geiger presentano alcuni problemi, come tempi morti del rivelatore, bassa efficienza di rilevamento, ampie possibilità di incrocio ottico e bassa risoluzione spaziale, che rendono difficile ottimizzare la contraddizione tra elevata frequenza di rilevamento e basso tasso di falsi allarmi. I contatori di fotoni basati su dispositivi APD HgCdTe ad alto guadagno e quasi silenziosi operano in modalità lineare, non hanno limiti di tempi morti e diafonia, non hanno post-impulso associati alla modalità Geiger, non richiedono circuiti di quench, hanno un intervallo dinamico ultra-elevato, un intervallo di risposta spettrale ampio e sintonizzabile e possono essere ottimizzati in modo indipendente per l'efficienza di rilevamento e il tasso di falsi allarmi. Apre un nuovo campo di applicazione dell'imaging con conteggio di fotoni a infrarossi, rappresenta un'importante direzione di sviluppo dei dispositivi di conteggio di fotoni e presenta ampie prospettive di applicazione nell'osservazione astronomica, nelle comunicazioni spaziali libere, nell'imaging attivo e passivo, nel tracciamento delle frange e così via.
Principio del conteggio dei fotoni nei dispositivi APD HgCdTe
I dispositivi fotorivelatori 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 (vedi Figura 1 (a)). Presentano un meccanismo di moltiplicazione a singolo portatore entro la lunghezza d'onda di taglio di 1,3~11 µm. Non vi è quasi alcun rumore di eccesso (rispetto al fattore di rumore di eccesso FSi~2-3 dei dispositivi APD al Si e FIII-V~4-5 dei dispositivi della famiglia III-V (vedi Figura 1 (b)), quindi il rapporto segnale/rumore dei dispositivi non diminuisce quasi per niente con l'aumento del guadagno, che rappresenta un valore ideale nell'infrarosso).fotodetector per valanghe.
FIG. 1 (a) Relazione tra il rapporto del coefficiente di ionizzazione d'impatto del materiale tellururo di mercurio e cadmio e il componente x di 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 che può estrarre digitalmente i segnali ottici dal rumore termico risolvendo gli impulsi fotoelettronici generati da unfotodiododopo aver ricevuto un singolo fotone. Poiché il segnale a bassa luminosità è maggiormente disperso nel dominio del tempo, anche il segnale elettrico in uscita dal rivelatore è naturale e discreto. In base a questa caratteristica della luce debole, l'amplificazione degli impulsi, la discriminazione degli impulsi e le tecniche di conteggio digitale vengono solitamente utilizzate per rilevare la luce estremamente debole. La moderna tecnologia di conteggio dei fotoni offre numerosi vantaggi, come un elevato rapporto segnale/rumore, un'elevata discriminazione, un'elevata precisione di misura, un buon anti-deriva, una buona stabilità temporale e la possibilità di inviare i dati al computer sotto forma di segnale digitale per la successiva analisi ed elaborazione, caratteristiche ineguagliabili rispetto ad altri metodi di rilevamento. Attualmente, il sistema di conteggio dei fotoni è ampiamente utilizzato nel campo della misurazione industriale e del rilevamento in condizioni di scarsa luminosità, come l'ottica non lineare, la biologia molecolare, la spettroscopia ad altissima risoluzione, la fotometria astronomica, la misurazione dell'inquinamento atmosferico, ecc., che sono correlate all'acquisizione e al rilevamento di segnali luminosi deboli. Il fotodiodo a valanga al tellururo di mercurio e cadmio non presenta praticamente alcun rumore in eccesso, all'aumentare del guadagno il rapporto segnale/rumore non decade e non vi sono tempi morti né restrizioni post-impulso tipiche dei dispositivi a valanga Geiger, il che è molto adatto per l'applicazione nel conteggio dei fotoni e rappresenta un'importante direzione di sviluppo per i dispositivi di conteggio dei fotoni in futuro.
Data di pubblicazione: 14-01-2025