مقدمة، كاشف ضوئي خطي من نوع عد الفوتونات

مقدمة، نوع عد الفوتوناتكاشف ضوئي للانهيار الخطي

تستطيع تقنية عد الفوتونات تضخيم إشارة الفوتون بشكل كامل للتغلب على ضوضاء القراءة في الأجهزة الإلكترونية، وتسجيل عدد الفوتونات الصادرة من الكاشف خلال فترة زمنية محددة باستخدام الخصائص المنفصلة الطبيعية لإشارة الخرج الكهربائية للكاشف تحت إشعاع ضوئي ضعيف، وحساب معلومات الهدف المقاس وفقًا لقيمة مقياس الفوتونات. ولتحقيق الكشف في الضوء الضعيف للغاية، دُرست أنواع عديدة من الأجهزة ذات القدرة على كشف الفوتونات في مختلف البلدان. ​​يُعد الصمام الثنائي الضوئي الانهياري ذو الحالة الصلبة (كاشف ضوئي APDجهاز يستخدم التأثير الكهروضوئي الداخلي للكشف عن الإشارات الضوئية. بالمقارنة مع الأجهزة المفرغة من الهواء، تتميز الأجهزة ذات الحالة الصلبة بمزايا واضحة في سرعة الاستجابة، وعدد الفوتونات المفقودة، واستهلاك الطاقة، والحجم، والحساسية للمجال المغناطيسي، وغيرها. وقد أجرى العلماء أبحاثًا استنادًا إلى تقنية تصوير عد الفوتونات باستخدام الثنائيات الضوئية الانهيارية ذات الحالة الصلبة.

جهاز كاشف ضوئي APDتعتمد تقنية تصوير عدّ الفوتونات باستخدام كاشفات الانهيار الضوئي (APD) على نمطين للتشغيل: نمط جايجر (GM) والنمط الخطي (LM). تتميز هذه الكاشفات بحساسية عالية تصل إلى مستوى الفوتون الواحد وسرعة استجابة فائقة تصل إلى عشرات النانوثانية، مما يضمن دقة زمنية عالية. مع ذلك، تعاني هذه الكاشفات من بعض المشاكل، مثل زمن التوقف، وانخفاض كفاءة الكشف، وتداخل الإشارات الضوئية، وانخفاض الدقة المكانية، مما يجعل من الصعب تحقيق التوازن الأمثل بين معدل الكشف العالي ومعدل الإنذارات الكاذبة المنخفض. أما عدادات الفوتونات القائمة على كاشفات الانهيار الضوئي HgCdTe عالية الكسب وشبه عديمة الضوضاء، فتعمل في النمط الخطي، ولا تعاني من قيود زمن التوقف أو التداخل، كما أنها لا تتطلب نبضة لاحقة مرتبطة بنمط جايجر، ولا تحتاج إلى دوائر إخماد، وتتميز بنطاق ديناميكي فائق، ونطاق استجابة طيفية واسع وقابل للتعديل، ويمكن تحسينها بشكل مستقل من حيث كفاءة الكشف ومعدل الإنذارات الكاذبة. يفتح هذا المجال مجالاً جديداً لتطبيقات التصوير بالأشعة تحت الحمراء باستخدام عد الفوتونات، وهو اتجاه تطوير مهم لأجهزة عد الفوتونات، وله آفاق تطبيق واسعة في الرصد الفلكي، والاتصالات في الفضاء الحر، والتصوير النشط والسلبي، وتتبع الأهداب، وما إلى ذلك.

مبدأ عد الفوتونات في أجهزة HgCdTe APD

تستطيع أجهزة الكشف الضوئي بتقنية APD، المصنوعة من مواد HgCdTe، تغطية نطاق واسع من الأطوال الموجية، وتختلف معاملات تأين الإلكترونات والفجوات اختلافًا كبيرًا (انظر الشكل 1 (أ)). وتُظهر هذه الأجهزة آلية مضاعفة حاملات الشحنة المفردة ضمن نطاق الطول الموجي للقطع من 1.3 إلى 11 ميكرومتر. يكاد ينعدم التشويش الزائد (مقارنةً بمعامل التشويش الزائد FSi من 2 إلى 3 لأجهزة APD المصنوعة من السيليكون، ومن 4 إلى 5 لأجهزة عائلة III-V (انظر الشكل 1 (ب))، ولذلك لا تنخفض نسبة الإشارة إلى التشويش في هذه الأجهزة تقريبًا مع زيادة الكسب، مما يجعلها مثالية للأشعة تحت الحمراء.كاشف ضوئي للانهيارات الثلجية.

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

تقنية عد الفوتونات هي تقنية جديدة يمكنها استخلاص الإشارات الضوئية رقميًا من الضوضاء الحرارية عن طريق تحليل نبضات الإلكترونات الضوئية الناتجة عنكاشف ضوئيبعد استقبال فوتون واحد. نظرًا لتشتت إشارة الضوء الخافت في المجال الزمني، تكون الإشارة الكهربائية الخارجة من الكاشف طبيعية ومتقطعة. وبناءً على هذه الخاصية للضوء الخافت، تُستخدم عادةً تقنيات تضخيم النبضات، وتمييز النبضات، والعد الرقمي للكشف عن الضوء الخافت للغاية. تتميز تقنية عد الفوتونات الحديثة بالعديد من المزايا، مثل نسبة الإشارة إلى الضوضاء العالية، والتمييز العالي، ودقة القياس العالية، ومقاومة الانحراف الجيدة، والاستقرار الزمني الجيد، وقدرتها على إخراج البيانات إلى الحاسوب على شكل إشارة رقمية لتحليلها ومعالجتها لاحقًا، وهو ما لا تضاهيه طرق الكشف الأخرى. في الوقت الحاضر، يُستخدم نظام عد الفوتونات على نطاق واسع في مجال القياس الصناعي والكشف عن الضوء الخافت، مثل البصريات غير الخطية، وعلم الأحياء الجزيئي، والتحليل الطيفي فائق الدقة، والقياس الضوئي الفلكي، وقياس تلوث الغلاف الجوي، وغيرها، والتي ترتبط باكتساب إشارات الضوء الخافت والكشف عنها. لا يحتوي كاشف الضوء الانهياري المصنوع من تيلوريد الزئبق والكادميوم تقريبًا على ضوضاء زائدة، ومع زيادة الكسب، لا تتدهور نسبة الإشارة إلى الضوضاء، ولا يوجد وقت ميت أو قيود ما بعد النبضة المتعلقة بأجهزة الانهيار الجليدي لجايجر، وهو مناسب جدًا للتطبيق في عد الفوتونات، ويمثل اتجاهًا مهمًا لتطوير أجهزة عد الفوتونات في المستقبل.