Giới thiệu, loại đếm photonmáy dò quang tuyết lở tuyến tính
Công nghệ đếm photon có thể khuếch đại hoàn toàn tín hiệu photon để khắc phục tiếng ồn đọc của các thiết bị điện tử và ghi lại số lượng photon do máy dò phát ra trong một khoảng thời gian nhất định bằng cách sử dụng các đặc tính rời rạc tự nhiên của tín hiệu điện đầu ra của máy dò dưới sự chiếu xạ ánh sáng yếu và tính toán thông tin của mục tiêu được đo theo giá trị của máy đo photon. Để thực hiện phát hiện ánh sáng cực yếu, nhiều loại thiết bị khác nhau có khả năng phát hiện photon đã được nghiên cứu ở nhiều quốc gia. Một điốt quang tuyết lở trạng thái rắn (Máy dò quang APD) là thiết bị sử dụng hiệu ứng quang điện bên trong để phát hiện tín hiệu ánh sáng. So với thiết bị chân không, thiết bị thể rắn có ưu điểm rõ ràng về tốc độ phản hồi, đếm tối, mức tiêu thụ điện năng, thể tích và độ nhạy từ trường, v.v. Các nhà khoa học đã tiến hành nghiên cứu dựa trên công nghệ hình ảnh đếm photon APD thể rắn.
Thiết bị phát hiện quang APDcó chế độ Geiger (GM) và chế độ tuyến tính (LM) hai chế độ làm việc, công nghệ hình ảnh đếm photon APD hiện tại chủ yếu sử dụng thiết bị APD chế độ Geiger. Thiết bị APD chế độ Geiger có độ nhạy cao ở mức photon đơn và tốc độ phản hồi cao hàng chục nano giây để có được độ chính xác thời gian cao. Tuy nhiên, APD chế độ Geiger có một số vấn đề như thời gian chết của máy dò, hiệu quả phát hiện thấp, ô chữ quang học lớn và độ phân giải không gian thấp, do đó khó tối ưu hóa mâu thuẫn giữa tỷ lệ phát hiện cao và tỷ lệ báo động sai thấp. Máy đếm photon dựa trên thiết bị APD HgCdTe độ lợi cao gần như không có tiếng ồn hoạt động ở chế độ tuyến tính, không có hạn chế về thời gian chết và nhiễu xuyên âm, không có xung sau liên quan đến chế độ Geiger, không yêu cầu mạch dập tắt, có dải động cực cao, dải phản hồi phổ rộng và có thể điều chỉnh và có thể được tối ưu hóa độc lập cho hiệu quả phát hiện và tỷ lệ đếm sai. Nó mở ra một lĩnh vực ứng dụng mới về hình ảnh đếm photon hồng ngoại, là một hướng phát triển quan trọng của các thiết bị đếm photon và có triển vọng ứng dụng rộng rãi trong quan sát thiên văn, truyền thông không gian tự do, hình ảnh chủ động và thụ động, theo dõi vân vân, v.v.
Nguyên lý đếm photon trong thiết bị APD HgCdTe
Các thiết bị quang tách sóng APD dựa trên vật liệu HgCdTe có thể bao phủ một phạm vi rộng các bước sóng và hệ số ion hóa của electron và lỗ trống rất khác nhau (xem Hình 1 (a)). Chúng thể hiện một cơ chế nhân sóng mang đơn trong bước sóng cắt 1,3~11 µm. Hầu như không có nhiễu dư thừa (so với hệ số nhiễu dư thừa FSi~2-3 của các thiết bị Si APD và FIII-V~4-5 của các thiết bị họ III-V (xem Hình 1 (b)), do đó tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu của các thiết bị hầu như không giảm khi tăng độ khuếch đại, đây là một hồng ngoại lý tưởngmáy dò ảnh tuyết lở.
HÌNH 1 (a) Mối quan hệ giữa tỷ lệ hệ số ion hóa tác động của vật liệu thủy ngân cadmium telluride và thành phần x của Cd; (b) So sánh hệ số nhiễu dư F của các thiết bị APD với các hệ vật liệu khác nhau
Công nghệ đếm photon là một công nghệ mới có thể trích xuất kỹ thuật số các tín hiệu quang từ nhiễu nhiệt bằng cách phân giải các xung quang điện tử được tạo ra bởi mộtmáy dò ảnhsau khi nhận được một photon đơn lẻ. Vì tín hiệu ánh sáng yếu phân tán nhiều hơn trong miền thời gian, nên tín hiệu điện do máy dò phát ra cũng tự nhiên và rời rạc. Theo đặc điểm này của ánh sáng yếu, khuếch đại xung, phân biệt xung và kỹ thuật đếm kỹ thuật số thường được sử dụng để phát hiện ánh sáng cực yếu. Công nghệ đếm photon hiện đại có nhiều ưu điểm, chẳng hạn như tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu cao, phân biệt cao, độ chính xác đo lường cao, chống trôi tốt, độ ổn định thời gian tốt và có thể xuất dữ liệu vào máy tính dưới dạng tín hiệu kỹ thuật số để phân tích và xử lý tiếp theo, điều này không có phương pháp phát hiện nào khác sánh kịp. Hiện nay, hệ thống đếm photon đã được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực đo lường công nghiệp và phát hiện ánh sáng yếu, chẳng hạn như quang học phi tuyến tính, sinh học phân tử, quang phổ độ phân giải cực cao, quang trắc thiên văn, đo ô nhiễm khí quyển, v.v., liên quan đến việc thu thập và phát hiện tín hiệu ánh sáng yếu. Bộ tách sóng quang tuyết lở thủy ngân cadmium telluride hầu như không có nhiễu dư thừa, khi độ khuếch đại tăng, tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu không bị suy giảm và không có thời gian chết và hạn chế sau xung liên quan đến thiết bị tuyết lở Geiger, rất phù hợp để ứng dụng trong đếm photon và là hướng phát triển quan trọng của thiết bị đếm photon trong tương lai.
Thời gian đăng: 14-01-2025