Johdanto, fotonien laskentatyyppilineaarinen lumivyöryvalodetektori
Fotonienlaskentatekniikka voi vahvistaa fotonisignaalin täysin elektronisten laitteiden lukemakohinan voittamiseksi ja tallentaa ilmaisimen tiettynä aikana tuottamien fotonien määrän käyttämällä ilmaisimen lähtösähkösignaalin luonnollisia diskreettejä ominaisuuksia heikossa valosäteilytyksessä ja laskea mitatun kohteen tiedot fotonimittarin arvon perusteella. Erittäin heikon valon havaitsemisen toteuttamiseksi on tutkittu monia erilaisia fotonien havaitsemiskykyisiä instrumentteja eri maissa. Kiinteän olomuodon lumivyöryfotodiodi (APD-valoilmaisin) on laite, joka käyttää sisäistä valosähköistä ilmiötä valosignaalien havaitsemiseen. Tyhjiölaitteisiin verrattuna puolijohdelaitteilla on ilmeisiä etuja vastenopeuden, tummalaskennan, virrankulutuksen, tilavuuden ja magneettikentän herkkyyden jne. suhteen. Tutkijat ovat tehneet tutkimusta puolijohdelaitteiseen APD-fotonilaskentaan perustuvalla kuvantamistekniikalla.
APD-valoilmaisinlaiteKoska APD-fotonienlaskentatekniikassa on kaksi toimintatilaa: Geiger-tila (GM) ja lineaarinen tila (LM), nykyinen APD-fotonienlaskentatekniikka käyttää pääasiassa Geiger-tilan APD-laitetta. Geiger-tilan APD-laitteilla on korkea herkkyys yksittäisten fotonien tasolla ja korkea vasteaika, kymmeniä nanosekunteja, mikä takaa korkean aikatarkkuuden. Geiger-tilan APD:llä on kuitenkin joitakin ongelmia, kuten ilmaisimen viiveaika, alhainen havaitsemistehokkuus, suuri optinen ristisanatehtävä ja alhainen spatiaalinen resoluutio, joten korkean havaitsemisasteen ja alhaisen väärien hälytysten määrän välistä ristiriitaa on vaikea optimoida. Lähes kohinattomiin, suuren vahvistuksen omaaviin HgCdTe-APD-laitteisiin perustuvat fotonilaskurit toimivat lineaarisessa tilassa, niillä ei ole viiveaika- tai ylikuulumisrajoituksia, niillä ei ole Geiger-tilaan liittyvää jälkipulssia, ne eivät vaadi sammutuspiirejä, niillä on erittäin laaja dynaaminen alue, laaja ja viritettävä spektraalinen vastealue, ja niitä voidaan optimoida itsenäisesti havaitsemistehokkuuden ja virheellisten laskentamäärien suhteen. Se avaa uuden sovelluskentän infrapunafotonien laskentakuvantamisessa, on tärkeä fotonien laskentalaitteiden kehityssuunta ja sillä on laajat sovellusmahdollisuudet tähtitieteellisessä havainnoinnissa, vapaan tilan viestinnässä, aktiivisessa ja passiivisessa kuvantamisessa, reunojen seurannassa ja niin edelleen.
Fotonien laskemisen periaate HgCdTe APD-laitteissa
HgCdTe-materiaaleihin perustuvat APD-fotodetektorit voivat kattaa laajan aallonpituusalueen, ja elektronien ja aukkojen ionisaatiokertoimet ovat hyvin erilaisia (katso kuva 1 (a)). Niillä on yhden kantoaallon moninkertaistumismekanismi raja-aallonpituudella 1,3–11 µm. Ylimääräistä kohinaa ei juurikaan esiinny (verrattuna Si APD -laitteiden ylimääräisen kohinakertoimeen FSi~2-3 ja III-V-perheen laitteiden FIII-V~4-5 (katso kuva 1 (b)), joten laitteiden signaali-kohinasuhde ei juurikaan heikkene vahvistuksen kasvaessa, mikä on ihanteellinen infrapunasäteilyn ominaisuus.lumivyöryvaloilmaisin.
KUVA 1 (a) Elohopea-kadmiumtelluridimateriaalin törmäysionisaatiokertoimen ja kadmiumin komponentin x välinen suhde; (b) Eri materiaalijärjestelmillä varustettujen APD-laitteiden ylimääräisen kohinakertoimen F vertailu
Fotonienlaskentatekniikka on uusi tekniikka, joka pystyy digitaalisesti erottamaan optisia signaaleja lämpökohinasta erottamalla ...valoilmaisinyksittäisen fotonin vastaanottamisen jälkeen. Koska hämäräsignaali on hajautuneempi aikatasossa, ilmaisimen tuottama sähköinen signaali on myös luonnollinen ja diskreetti. Tämän heikon valon ominaisuuden mukaisesti pulssinvahvistus-, pulssinerottelu- ja digitaalilaskentatekniikoita käytetään yleensä erittäin heikon valon havaitsemiseen. Nykyaikaisella fotonienlaskentatekniikalla on monia etuja, kuten korkea signaali-kohinasuhde, korkea erottelukyky, korkea mittaustarkkuus, hyvä ajautumisenesto, hyvä aikavakaus ja se, että se voi lähettää dataa tietokoneelle digitaalisen signaalin muodossa myöhempää analysointia ja käsittelyä varten, mikä on vertaansa vailla muilla havaitsemismenetelmillä. Tällä hetkellä fotonienlaskentajärjestelmää on käytetty laajalti teollisen mittauksen ja hämärähavainnoinnin alalla, kuten epälineaarisessa optiikassa, molekyylibiologiassa, erittäin korkean resoluution spektroskopiassa, tähtitieteellisessä fotometriassa, ilmakehän saasteiden mittauksessa jne., jotka liittyvät heikkojen valosignaalien hankintaan ja havaitsemiseen. Elohopea-kadmiumtelluridilumilumineläkedetektorissa ei ole juurikaan ylimääräistä kohinaa, vahvistuksen kasvaessa signaali-kohinasuhde ei heikkene, eikä Geigerin lumivyörylaitteille tyypillistä viiveaikaa tai pulssin jälkeistä rajoitusta ole, mikä soveltuu erittäin hyvin fotonienlaskentaan ja on tärkeä fotonienlaskentalaitteiden kehityssuunta tulevaisuudessa.
Julkaisun aika: 14. tammikuuta 2025