Introduzione, tipo di conteggio dei fotonifotorivelatore lineare a 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 rivelatore in un certo periodo di tempo utilizzando le caratteristiche discrete naturali del segnale elettrico di uscita del rivelatore sotto irradiazione di luce debole e calcolare le informazioni del bersaglio misurato in base al valore del fotometro. Al fine di realizzare il rilevamento di luce estremamente debole, in vari paesi sono stati studiati molti diversi tipi di strumenti con capacità di rilevamento dei fotoni. Un fotodiodo a valanga a stato solido (Fotorivelatore APDIl fotodiodo a stato solido (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 vantaggi evidenti in termini di velocità di risposta, conteggio del rumore di fondo, 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 fotorivelatore APDLa tecnologia di imaging a conteggio di fotoni APD, che attualmente utilizza principalmente dispositivi APD in modalità Geiger (GM) e in modalità lineare (LM), si avvale di due modalità operative. I dispositivi APD in modalità Geiger presentano un'elevata sensibilità a livello di singolo fotone e un'elevata velocità di risposta di decine di nanosecondi, garantendo un'elevata precisione temporale. Tuttavia, gli APD in modalità Geiger presentano alcuni problemi, come il tempo morto del rivelatore, la bassa efficienza di rilevamento, l'ampio crosstalk ottico e la bassa risoluzione spaziale, rendendo difficile l'ottimizzazione del compromesso tra elevata velocità di rilevamento e basso tasso di falsi allarmi. I contatori di fotoni basati su dispositivi APD HgCdTe ad alto guadagno, quasi privi di rumore, operano in modalità lineare, non presentano limitazioni dovute al tempo morto e al crosstalk, non hanno impulsi post-emissione associati alla modalità Geiger, non richiedono circuiti di quench, offrono una gamma dinamica ultra-elevata, un'ampia gamma di risposta spettrale sintonizzabile e possono essere ottimizzati indipendentemente per efficienza di rilevamento e tasso di falsi allarmi. Apre un nuovo campo di applicazione per l'imaging a conteggio di fotoni infrarossi, rappresenta un'importante direzione di sviluppo per i dispositivi di conteggio di fotoni e ha ampie prospettive di applicazione nell'osservazione astronomica, nelle comunicazioni nello spazio libero, nell'imaging attivo e passivo, nel tracciamento delle frange e così via.
Principio del conteggio dei fotoni nei dispositivi APD a HgCdTe
I dispositivi fotodetettori 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)). Essi mostrano un meccanismo di moltiplicazione di portatori singoli entro la lunghezza d'onda di taglio di 1,3~11 µm. Non c'è quasi nessun rumore in eccesso (rispetto al fattore di rumore in eccesso FSi~2-3 dei dispositivi APD al Si e FIII-V~4-5 dei dispositivi della famiglia III-V (vedere Figura 1 (b)), quindi il rapporto segnale/rumore dei dispositivi non diminuisce quasi con l'aumento del guadagno, il che è un infrarosso idealefotorivelatore di valanghe.
FIG. 1 (a) Relazione tra il rapporto del coefficiente di ionizzazione da impatto del materiale tellururo di mercurio e 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 a bassa luminosità è più disperso nel dominio del tempo, anche il segnale elettrico in uscita dal rivelatore risulta naturale e discreto. In base a questa caratteristica della luce debole, per rilevare la luce estremamente debole si utilizzano solitamente tecniche di amplificazione degli impulsi, discriminazione degli impulsi e conteggio digitale. La moderna tecnologia di conteggio dei fotoni presenta numerosi vantaggi, come un elevato rapporto segnale/rumore, un'elevata discriminazione, un'elevata precisione di misurazione, una buona anti-deriva, una buona stabilità temporale e la possibilità di inviare i dati al computer sotto forma di segnale digitale per successive analisi ed elaborazioni, caratteristiche ineguagliabili da altri metodi di rilevamento. Attualmente, i sistemi di conteggio dei fotoni sono ampiamente utilizzati nel campo della misurazione industriale e del rilevamento a bassa luminosità, ad esempio nell'ottica non lineare, nella biologia molecolare, nella spettroscopia ad altissima risoluzione, nella fotometria astronomica, nella misurazione dell'inquinamento atmosferico, ecc., settori che richiedono l'acquisizione e il rilevamento di segnali luminosi deboli. Il fotorivelatore a valanga di tellururo di mercurio e cadmio non presenta quasi alcun rumore in eccesso; all'aumentare del guadagno, il rapporto segnale/rumore non si degrada e non vi sono limitazioni dovute al tempo morto o al post-impulso tipiche dei dispositivi a valanga Geiger, il che lo rende molto adatto per applicazioni di conteggio di fotoni e rappresenta un'importante direzione di sviluppo per i dispositivi di conteggio di fotoni in futuro.
Data di pubblicazione: 14 gennaio 2025