Introduction, type de comptage de photonsphotodétecteur à avalanche linéaire
La technologie de comptage de photons permet d'amplifier pleinement le signal photonique afin de compenser le bruit de lecture des appareils électroniques. Elle enregistre également le nombre de photons émis par le détecteur sur une période donnée en utilisant les caractéristiques discrètes naturelles du signal électrique de sortie du détecteur sous faible irradiation lumineuse, et calcule les informations de la cible mesurée en fonction de la valeur du photomètre. Afin de réaliser une détection en lumière extrêmement faible, de nombreux instruments de détection de photons ont été étudiés dans différents pays. Une photodiode à avalanche à semi-conducteurs (Photodétecteur APD) est un dispositif qui utilise l'effet photoélectrique interne pour détecter les signaux lumineux. Comparés aux dispositifs à vide, les dispositifs à semi-conducteurs présentent des avantages évidents en termes de rapidité de réponse, de comptage d'obscurité, de consommation d'énergie, de volume et de sensibilité au champ magnétique, etc. Des scientifiques ont mené des recherches basées sur la technologie d'imagerie par comptage de photons APD à semi-conducteurs.
Dispositif photodétecteur APDDoté de deux modes de fonctionnement, le mode Geiger (GM) et le mode linéaire (LM), la technologie actuelle d'imagerie par comptage de photons APD utilise principalement un dispositif APD en mode Geiger. Ce dispositif présente une sensibilité élevée au photon unique et une vitesse de réponse élevée de quelques dizaines de nanosecondes, ce qui permet d'obtenir une grande précision temporelle. Cependant, le mode APD Geiger présente des inconvénients, tels qu'un temps mort du détecteur, une faible efficacité de détection, un grand nombre de 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 APD HgCdTe à gain élevé et quasi-sans bruit fonctionnent en mode linéaire, sans restriction de temps mort ni de diaphonie, sans post-impulsion associée au mode Geiger, sans circuit d'extinction, avec une plage dynamique ultra-élevée, une plage de réponse spectrale large et réglable, et peuvent être optimisés indépendamment pour l'efficacité de détection et le taux de fausses alarmes. Il ouvre un nouveau domaine 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 dispositifs APD HgCdTe
Les photodétecteurs APD à base de 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 porteurs uniques dans la longueur d'onde de coupure de 1,3 à 11 µm. Le bruit excessif est quasiment nul (comparé au facteur de bruit excessif FSi~2-3 des dispositifs APD Si et FIII-V~4-5 des dispositifs de la famille III-V (voir figure 1 (b)), de sorte que le rapport signal/bruit des dispositifs ne diminue quasiment pas avec l'augmentation du gain, ce qui constitue un infrarouge idéal.photodétecteur d'avalanche.
FIG. 1 (a) Relation entre le coefficient d'ionisation par impact du tellurure de mercure et de cadmium et le composant x du Cd ; (b) Comparaison du facteur de bruit excessif 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 à partir du bruit thermique en résolvant les impulsions photoélectroniques générées par unphotodétecteurAprès la réception d'un seul photon. Le signal de faible luminosité étant plus dispersé dans le domaine temporel, le signal électrique émis par le détecteur est également naturel et discret. Compte tenu de cette caractéristique de faible luminosité, l'amplification et la discrimination d'impulsions, ainsi que les techniques de comptage numérique, sont généralement utilisées pour détecter la 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 grande précision de mesure, une bonne antidérive et une bonne stabilité temporelle. Elle permet également de transmettre les données à l'ordinateur sous forme de signal numérique pour analyse et traitement ultérieurs, un atout inégalé par les autres méthodes de détection. Aujourd'hui, le système de comptage de photons est largement utilisé dans les domaines de la mesure industrielle et de la détection de faible luminosité, tels que l'optique non linéaire, la biologie moléculaire, la spectroscopie à ultra-haute résolution, la photométrie astronomique et la mesure de la pollution atmosphérique, qui sont liés à l'acquisition et à la détection de signaux de faible luminosité. Le photodétecteur à avalanche de 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 liés aux dispositifs à avalanche Geiger, ce qui est très approprié pour une application dans le comptage de photons, et constitue une direction de développement importante des dispositifs de comptage de photons à l'avenir.
Date de publication : 14 janvier 2025