Introduction, type de comptage de photonsphotodétecteur d'avalanche linéaire
La technologie de comptage de photons peut amplifier complètement le signal photonique pour surmonter le bruit de lecture des appareils électroniques et enregistrer le nombre de photons émis par le détecteur sur une certaine période de temps en utilisant les caractéristiques discrètes naturelles du signal électrique de sortie du détecteur sous une faible irradiation lumineuse. , et calculez les informations de la cible mesurée en fonction de la valeur du photonmètre. Afin de réaliser une détection de lumière extrêmement faible, de nombreux types d’instruments dotés d’une capacité de détection de photons ont été étudiés dans divers pays. Une photodiode à avalanche à semi-conducteurs (Photodétecteur APD) est un appareil qui utilise l'effet photoélectrique interne pour détecter les signaux lumineux. Par rapport aux appareils à vide, les appareils à semi-conducteurs présentent des avantages évidents en termes de vitesse de réponse, de comptage d'obscurité, de consommation d'énergie, de sensibilité au volume et au champ magnétique, etc. Les scientifiques ont mené des recherches basées sur la technologie d'imagerie de comptage de photons APD à semi-conducteurs.
Dispositif photodétecteur APDDispose de deux modes de fonctionnement en mode Geiger (GM) et en mode linéaire (LM), la technologie actuelle d'imagerie de comptage de photons APD utilise principalement le dispositif APD en mode Geiger. Les appareils APD en mode Geiger ont une sensibilité élevée au niveau du photon unique et une vitesse de réponse élevée de plusieurs dizaines de nanosecondes pour obtenir une précision temporelle élevée. Cependant, le mode Geiger APD présente certains problèmes tels que le temps mort du détecteur, une faible efficacité de détection, de grands mots croisés optiques et une faible résolution spatiale, il est donc difficile d'optimiser la contradiction entre un taux de détection élevé et un faible taux de fausses alarmes. Les compteurs de photons basés sur des dispositifs HgCdTe APD à gain élevé quasi silencieux fonctionnent en mode linéaire, n'ont pas de restrictions de temps mort ni de diaphonie, n'ont pas de post-impulsion associée au mode Geiger, ne nécessitent pas de circuits d'extinction, ont une plage dynamique ultra-élevée, large et une plage de réponse spectrale réglable, et peuvent être optimisés indépendamment pour l'efficacité de détection et le taux de faux comptage. Il ouvre un nouveau champ d'application de l'imagerie par comptage de photons infrarouges, constitue une direction de développement importante des dispositifs de comptage de photons et offre de larges perspectives d'application dans l'observation astronomique, la communication en espace libre, l'imagerie active et passive, le suivi des franges, etc.
Principe du comptage de photons dans les appareils HgCdTe APD
Les dispositifs photodétecteurs APD basés sur des matériaux HgCdTe peuvent couvrir une large gamme de longueurs d'onde, et les coefficients d'ionisation des électrons et des trous sont très différents (voir Figure 1 (a)). Ils présentent un mécanisme de multiplication de porteuses unique dans la longueur d'onde de coupure de 1,3 à 11 µm. Il n'y a presque pas de bruit excessif (par rapport au facteur de bruit excessif FSi~2-3 des dispositifs Si APD et FIII-V~4-5 des dispositifs de la famille III-V (voir Figure 1 (b)), de sorte que le signal- Le rapport bruit/bruit des appareils ne diminue pratiquement pas avec l'augmentation du gain, ce qui constitue un infrarouge idéal.photodétecteur d'avalanche.
FIGUE. 1 (a) Relation entre le rapport du coefficient d'ionisation par impact du matériau tellurure de mercure et de cadmium et le composant x du Cd ; (b) Comparaison du facteur de bruit excédentaire F des dispositifs APD avec différents systèmes de matériaux
La technologie de comptage de photons est une nouvelle technologie qui permet d'extraire numériquement des signaux optiques du bruit thermique en résolvant les impulsions photoélectroniques générées par unphotodétecteuraprès avoir reçu un seul photon. Étant donné que le signal de faible luminosité est plus dispersé dans le domaine temporel, le signal électrique émis par le détecteur est également naturel et discret. Selon cette caractéristique de la lumière faible, des techniques d'amplification d'impulsion, de discrimination d'impulsion et de comptage numérique sont généralement utilisées pour détecter une lumière extrêmement faible. La technologie moderne de comptage de photons présente de nombreux avantages, tels qu'un rapport signal/bruit élevé, une discrimination élevée, une précision de mesure élevée, une bonne anti-dérive, une bonne stabilité temporelle et peut transmettre des données à l'ordinateur sous forme de signal numérique pour une analyse ultérieure. et le traitement, inégalé par d'autres méthodes de détection. À l'heure actuelle, le système de comptage de photons a été largement utilisé dans le domaine de la mesure industrielle et de la détection de faible luminosité, tels que l'optique non linéaire, la biologie moléculaire, la spectroscopie ultra-haute résolution, la photométrie astronomique, la mesure de la pollution atmosphérique, etc., qui sont liés à l'acquisition et à la détection de signaux lumineux faibles. Le photodétecteur d'avalanche au tellurure de mercure et de cadmium n'a presque pas de bruit excessif, à mesure que le gain augmente, le rapport signal/bruit ne diminue pas, et il n'y a pas de temps mort ni de restriction post-impulsion liée aux dispositifs d'avalanche Geiger, ce qui est très approprié pour application dans le comptage de photons et constitue une direction de développement importante des dispositifs de comptage de photons à l'avenir.
Heure de publication : 14 janvier 2025