مقدمة، نوع عد الفوتون كاشف ضوئي الانهيار الخطي

مقدمة، نوع عد الفوتونكاشف ضوئي الانهيار الخطي

يمكن لتقنية عد الفوتون تضخيم إشارة الفوتون بشكل كامل للتغلب على ضجيج قراءات الأجهزة الإلكترونية، وتسجيل عدد الفوتونات التي يخرجها الكاشف في فترة زمنية معينة باستخدام الخصائص المنفصلة الطبيعية للإشارة الكهربائية التي يخرجها الكاشف تحت إشعاع ضوء ضعيف وحساب معلومات الهدف المقاس حسب قيمة مقياس الفوتون. من أجل تحقيق الكشف عن الضوء الضعيف للغاية، تمت دراسة العديد من أنواع الأدوات المختلفة ذات القدرة على اكتشاف الفوتون في بلدان مختلفة. الحالة الصلبة الثنائي الضوئي الانهيار (كاشف ضوئي APD) هو جهاز يستخدم التأثير الكهروضوئي الداخلي للكشف عن الإشارات الضوئية. بالمقارنة مع أجهزة التفريغ، تتمتع أجهزة الحالة الصلبة بمزايا واضحة في سرعة الاستجابة، والعد الداكن، واستهلاك الطاقة، والحجم وحساسية المجال المغناطيسي، وما إلى ذلك. وقد أجرى العلماء أبحاثًا تعتمد على تقنية تصوير عد فوتون APD للحالة الصلبة.

جهاز كشف ضوئي APDيحتوي وضع Geiger (GM) والوضع الخطي (LM) على وضعين للعمل، وتستخدم تقنية تصوير عد الفوتون APD الحالية بشكل أساسي جهاز Geiger mode APD. تتمتع أجهزة APD بوضع جيجر بحساسية عالية على مستوى الفوتون الفردي وسرعة استجابة عالية تصل إلى عشرات النانو ثانية للحصول على دقة زمنية عالية. ومع ذلك، فإن APD في وضع Geiger به بعض المشكلات مثل الوقت الميت للكاشف، وانخفاض كفاءة الكشف، والكلمات المتقاطعة البصرية الكبيرة، والدقة المكانية المنخفضة، لذلك من الصعب تحسين التناقض بين معدل الاكتشاف العالي ومعدل الإنذار الكاذب المنخفض. تعمل عدادات الفوتون المستندة إلى أجهزة HgCdTe APD عالية الكسب شبه عديمة الضوضاء في الوضع الخطي، وليس لها وقت ميت وقيود على الحديث المتبادل، ولا تحتوي على نبض لاحق مرتبط بوضع جيجر، ولا تتطلب دوائر إخماد، ولها نطاق ديناميكي عالي للغاية، وواسع ونطاق الاستجابة الطيفية القابل للضبط، ويمكن تحسينه بشكل مستقل لتحقيق كفاءة الكشف ومعدل العد الخاطئ. إنه يفتح مجال تطبيق جديدًا لتصوير عد الفوتون بالأشعة تحت الحمراء، وهو اتجاه تطوير مهم لأجهزة عد الفوتون، وله آفاق تطبيق واسعة في المراقبة الفلكية، والاتصالات الفضائية الحرة، والتصوير النشط والسلبي، والتتبع الهامشي وما إلى ذلك.

مبدأ عد الفوتون في أجهزة HgCdTe APD

يمكن لأجهزة الكشف الضوئي APD المعتمدة على مواد HgCdTe أن تغطي نطاقًا واسعًا من الأطوال الموجية، كما تختلف معاملات التأين للإلكترونات والثقوب اختلافًا كبيرًا (انظر الشكل 1 (أ)). إنها تظهر آلية مضاعفة حاملة واحدة ضمن الطول الموجي المقطوع البالغ 1.3 ~ 11 ميكرومتر. لا يوجد أي ضوضاء زائدة تقريبًا (مقارنة بعامل الضوضاء الزائد FSi~2-3 لأجهزة Si APD وFIII-V~4-5 لأجهزة عائلة III-V (انظر الشكل 1 (ب))، بحيث تكون الإشارة- نسبة الضوضاء للأجهزة تقريبًا لا تنخفض مع زيادة الكسب، وهي الأشعة تحت الحمراء المثاليةكاشف ضوئي الانهيار الجليدي.

تين. 1 (أ) العلاقة بين نسبة معامل تأين الصدم لمادة تيلوريد الكادميوم الزئبقي والمكون x من الكادميوم؛ ( ب ) مقارنة عامل الضوضاء الزائد F لأجهزة APD مع أنظمة المواد المختلفة

تقنية عد الفوتون هي تقنية جديدة يمكنها استخلاص الإشارات الضوئية رقميًا من الضوضاء الحرارية عن طريق تحليل نبضات الإلكترون الضوئي الناتجة عنphotodetectorبعد تلقي فوتون واحد. نظرًا لأن إشارة الإضاءة المنخفضة تكون أكثر تشتتًا في المجال الزمني، فإن إخراج الإشارة الكهربائية بواسطة الكاشف يكون أيضًا طبيعيًا ومنفصلًا. وفقًا لهذه الخاصية للضوء الضعيف، عادةً ما يتم استخدام تضخيم النبض وتمييز النبض وتقنيات العد الرقمي للكشف عن الضوء الضعيف للغاية. تتمتع تقنية عد الفوتون الحديثة بالعديد من المزايا، مثل نسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية، والتمييز العالي، ودقة القياس العالية، ومقاومة الانجراف الجيدة، واستقرار الوقت الجيد، ويمكن إخراج البيانات إلى الكمبيوتر في شكل إشارة رقمية للتحليل اللاحق والمعالجة، والتي لا مثيل لها من قبل طرق الكشف الأخرى. في الوقت الحاضر، يتم استخدام نظام عد الفوتون على نطاق واسع في مجال القياس الصناعي والكشف عن الإضاءة المنخفضة، مثل البصريات غير الخطية، والبيولوجيا الجزيئية، والتحليل الطيفي عالي الدقة، والقياس الضوئي الفلكي، وقياس التلوث الجوي، وما إلى ذلك، والتي ترتبط ببعضها البعض. لاقتناء وكشف الإشارات الضوئية الضعيفة. لا يحتوي كاشف ضوئي الانهيار الجليدي الزئبقي والكادميوم الكادميوم على أي ضوضاء زائدة تقريبًا، مع زيادة الكسب، لا تتحلل نسبة الإشارة إلى الضوضاء، ولا يوجد وقت ميت وقيود ما بعد النبض المتعلقة بأجهزة الانهيار الجليدي جيجر، وهو مناسب جدًا تطبيق في عد الفوتون، وهو اتجاه تطوير مهم لأجهزة عد الفوتون في المستقبل.