مقدمة، كاشف ضوئي خطي من نوع عد الفوتونات

مقدمة، نوع عد الفوتوناتكاشف ضوئي خطي للانهيار الجليدي

تُمكّن تقنية عدّ الفوتونات من تضخيم إشارة الفوتونات بشكل كامل للتغلب على ضوضاء قراءة الأجهزة الإلكترونية، وتسجيل عدد الفوتونات الصادرة عن الكاشف خلال فترة زمنية محددة باستخدام الخصائص الطبيعية المنفصلة للإشارة الكهربائية الصادرة عن الكاشف تحت إشعاع الضوء الضعيف، وحساب معلومات الهدف المقاس وفقًا لقيمة مقياس الفوتون. لتحقيق كشف الضوء الضعيف للغاية، تمت دراسة أنواع مختلفة من الأجهزة القادرة على كشف الفوتونات في مختلف البلدان. ​​ثنائي ضوئي ذو حالة صلبة (كاشف ضوئي APD) هو جهاز يستخدم التأثير الكهروضوئي الداخلي للكشف عن إشارات الضوء. بالمقارنة مع الأجهزة الفراغية، تتميز أجهزة الحالة الصلبة بمزايا واضحة في سرعة الاستجابة، وعدد الفوتونات، واستهلاك الطاقة، وحساسية الحجم والمجال المغناطيسي، وغيرها. وقد أجرى العلماء أبحاثًا تعتمد على تقنية تصوير عد الفوتونات APD في الحالة الصلبة.

جهاز كشف الضوء APDيحتوي وضع جيجر (GM) والوضع الخطي (LM) على وضعين للعمل، وتستخدم تقنية التصوير الحالية لعد الفوتونات APD بشكل أساسي جهاز APD بوضع جيجر. تتميز أجهزة APD بوضع جيجر بحساسية عالية على مستوى الفوتون الواحد وسرعة استجابة عالية تصل إلى عشرات النانو ثانية للحصول على دقة زمنية عالية. ومع ذلك، فإن وضع جيجر APD لديه بعض المشاكل مثل وقت موت الكاشف، وكفاءة الكشف المنخفضة، والكلمات المتقاطعة البصرية الكبيرة، والدقة المكانية المنخفضة، لذلك من الصعب تحسين التناقض بين معدل الكشف العالي ومعدل الإنذارات الكاذبة المنخفض. تعمل عدادات الفوتون القائمة على أجهزة APD عالية الكسب من HgCdTe شبه الخالية من الضوضاء في الوضع الخطي، ولا تحتوي على وقت موت أو قيود على التداخل، ولا تحتوي على نبضة لاحقة مرتبطة بوضع جيجر، ولا تتطلب دوائر إخماد، ولها نطاق ديناميكي فائق الارتفاع، ونطاق استجابة طيفي واسع وقابل للضبط، ويمكن تحسينها بشكل مستقل من أجل كفاءة الكشف ومعدل العد الكاذب. إنه يفتح مجال تطبيق جديد لتصوير عد الفوتونات بالأشعة تحت الحمراء، وهو اتجاه تطوير مهم لأجهزة عد الفوتونات، وله آفاق تطبيق واسعة في المراقبة الفلكية، والاتصالات في الفضاء الحر، والتصوير النشط والسلبي، وتتبع الهامش وما إلى ذلك.

مبدأ عد الفوتونات في أجهزة APD من HgCdTe

يمكن لأجهزة الكشف الضوئي APD، المصنوعة من مواد HgCdTe، تغطية نطاق واسع من الأطوال الموجية، وتختلف معاملات تأين الإلكترونات والفجوات اختلافًا كبيرًا (انظر الشكل 1 (أ)). تتميز هذه الأجهزة بآلية مضاعفة حاملة واحدة ضمن طول موجة القطع الذي يتراوح بين 1.3 و11 ميكرومتر. تكاد تكون الضوضاء الزائدة معدومة (مقارنةً بعامل الضوضاء الزائدة FSi~2-3 لأجهزة Si APD وFIII-V~4-5 لأجهزة عائلة III-V (انظر الشكل 1 (ب))، بحيث لا تتناقص نسبة الإشارة إلى الضوضاء في الأجهزة تقريبًا مع زيادة الكسب، وهي نسبة مثالية للأشعة تحت الحمراء.كاشف ضوئي للانهيارات الجليدية.

الشكل 1 (أ) العلاقة بين نسبة معامل التأين الصدمي لمادة تيلورايد الزئبق والكادميوم والمكون x من الكادميوم؛ (ب) مقارنة عامل الضوضاء الزائد F لأجهزة APD مع أنظمة مواد مختلفة

تقنية عد الفوتونات هي تقنية جديدة يمكنها استخراج الإشارات الضوئية رقميًا من الضوضاء الحرارية عن طريق حل نبضات الفوتون الإلكترونية التي تولدهاكاشف ضوئيبعد استقبال فوتون واحد. ونظرًا لتشتت إشارة الضوء المنخفض في نطاق الزمن، فإن الإشارة الكهربائية الصادرة عن الكاشف تكون طبيعية ومنفصلة. ونظرًا لهذه الخاصية المميزة للضوء الضعيف، تُستخدم عادةً تقنيات تضخيم النبضات وتمييز النبضات والعد الرقمي للكشف عن الضوء الضعيف للغاية. تتميز تقنية عد الفوتونات الحديثة بالعديد من المزايا، مثل ارتفاع نسبة الإشارة إلى الضوضاء، والتمييز العالي، ودقة القياس العالية، ومقاومة الانجراف الجيدة، واستقرار الوقت الجيد، ويمكنها إخراج البيانات إلى الحاسوب في شكل إشارة رقمية للتحليل والمعالجة اللاحقة، وهو ما لا تضاهيه طرق الكشف الأخرى. في الوقت الحاضر، يُستخدم نظام عد الفوتونات على نطاق واسع في مجال القياس الصناعي والكشف عن الضوء المنخفض، مثل البصريات غير الخطية، وعلم الأحياء الجزيئي، والتحليل الطيفي فائق الدقة، والقياس الضوئي الفلكي، وقياس التلوث الجوي، وما إلى ذلك، والتي تتعلق باكتساب إشارات الضوء الضعيفة والكشف عنها. لا يحتوي جهاز الكشف الضوئي عن الانهيار الجليدي باستخدام كادميوم الزئبق على أي ضوضاء زائدة تقريبًا، ومع زيادة المكسب، لا تتلاشى نسبة الإشارة إلى الضوضاء، ولا يوجد وقت ميت وتقييد ما بعد النبضة مرتبط بأجهزة الانهيار الجليدي جيجر، وهو مناسب جدًا للتطبيق في عد الفوتونات، وهو اتجاه تطوير مهم لأجهزة عد الفوتونات في المستقبل.