บทนำ โฟตอนนับประเภทโฟตอนถล่มโฟโตตรวจจับเชิงเส้น

บทนำ ประเภทการนับโฟตอนเครื่องตรวจจับภาพหิมะถล่มเชิงเส้น

เทคโนโลยีการนับโฟตอนสามารถขยายสัญญาณโฟตอนได้อย่างเต็มที่เพื่อเอาชนะสัญญาณรบกวนที่อ่านได้ของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และบันทึกจำนวนโฟตอนที่เอาต์พุตโดยเครื่องตรวจจับในช่วงเวลาหนึ่งโดยใช้ลักษณะเฉพาะที่ไม่ต่อเนื่องตามธรรมชาติของสัญญาณไฟฟ้าเอาต์พุตของเครื่องตรวจจับภายใต้การฉายรังสีแสงอ่อน และคำนวณข้อมูลของชิ้นงานที่วัดตามค่าของโฟตอนมิเตอร์ เพื่อให้การตรวจจับแสงที่อ่อนแอมากมีการศึกษาเครื่องมือหลายประเภทที่มีความสามารถในการตรวจจับโฟตอนในประเทศต่างๆ โฟโตไดโอดหิมะถล่มโซลิดสเตต (เครื่องตรวจจับแสง APD) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้เอฟเฟกต์โฟโตอิเล็กทริคภายในเพื่อตรวจจับสัญญาณแสง เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์สุญญากาศ อุปกรณ์โซลิดสเตตมีข้อได้เปรียบที่ชัดเจนในด้านความเร็วตอบสนอง จำนวนความมืด การใช้พลังงาน ปริมาตร และความไวของสนามแม่เหล็ก ฯลฯ นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการวิจัยโดยใช้เทคโนโลยีการถ่ายภาพนับโฟตอน APD ของโซลิดสเตต

เครื่องตรวจจับแสง APDมีโหมดการทำงานสองโหมด Geiger (GM) และโหมดเชิงเส้น (LM) เทคโนโลยีการถ่ายภาพการนับโฟตอน APD ในปัจจุบันส่วนใหญ่ใช้อุปกรณ์ APD โหมด Geiger อุปกรณ์ APD โหมด Geiger มีความไวสูงที่ระดับโฟตอนเดี่ยวและมีความเร็วตอบสนองสูงหลายสิบนาโนวินาทีเพื่อให้ได้ความแม่นยำของเวลาสูง อย่างไรก็ตาม APD โหมด Geiger มีปัญหาบางอย่าง เช่น Dead Time ของเครื่องตรวจจับ ประสิทธิภาพการตรวจจับต่ำ Crossword แบบออปติคัลขนาดใหญ่ และความละเอียดเชิงพื้นที่ต่ำ ดังนั้นจึงเป็นเรื่องยากที่จะปรับความขัดแย้งระหว่างอัตราการตรวจจับสูงและอัตราการเตือนที่ผิดพลาดต่ำ เครื่องนับโฟตอนที่ใช้อุปกรณ์ HgCdTe APD ที่ให้กำลังสูงโดยแทบไม่มีเสียงรบกวน ทำงานในโหมดเชิงเส้น ไม่มีข้อจำกัดด้านเดดไทม์และครอสทอล์ค ไม่มีโพสต์พัลส์ที่เกี่ยวข้องกับโหมดไกเกอร์ ไม่ต้องการวงจรดับ มีช่วงไดนามิกสูงเป็นพิเศษ กว้าง และช่วงการตอบสนองทางสเปกตรัมที่ปรับแต่งได้ และสามารถปรับให้เหมาะสมโดยอิสระเพื่อประสิทธิภาพการตรวจจับและอัตราการนับที่ผิดพลาด โดยจะเปิดขอบเขตการใช้งานใหม่ของการถ่ายภาพนับโฟตอนอินฟราเรด ซึ่งเป็นทิศทางการพัฒนาที่สำคัญของอุปกรณ์นับโฟตอน และมีแนวโน้มการใช้งานที่กว้างขวางในการสังเกตทางดาราศาสตร์ การสื่อสารในอวกาศว่าง การถ่ายภาพแบบแอคทีฟและพาสซีฟ การติดตามขอบ และอื่นๆ

หลักการนับโฟตอนในอุปกรณ์ HgCdTe APD

อุปกรณ์ตรวจจับแสง APD ที่ใช้วัสดุ HgCdTe สามารถครอบคลุมความยาวคลื่นได้หลากหลาย และค่าสัมประสิทธิ์ไอออไนเซชันของอิเล็กตรอนและรูจะแตกต่างกันมาก (ดูรูปที่ 1 (a)) พวกมันแสดงกลไกการคูณพาหะเดียวภายในความยาวคลื่นคัตออฟ 1.3~11 µm แทบจะไม่มีสัญญาณรบกวนมากเกินไป (เมื่อเทียบกับปัจจัยสัญญาณรบกวนส่วนเกิน FSi ~ 2-3 ของอุปกรณ์ Si APD และอุปกรณ์ตระกูล FIII-V ~ 4-5 III-V (ดูรูปที่ 1 (b)) ดังนั้นสัญญาณ - อัตราส่วนต่อเสียงรบกวนของอุปกรณ์แทบจะไม่ลดลงตามการเพิ่มขึ้นของเกนซึ่งเป็นอินฟราเรดในอุดมคติเครื่องตรวจจับภาพหิมะถล่ม.

มะเดื่อ. 1 (a) ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนสัมประสิทธิ์ไอออไนเซชันของการกระแทกของวัสดุแคดเมียมเทลลูไรด์ปรอทและส่วนประกอบ x ของ Cd; (b) การเปรียบเทียบปัจจัยทางเสียงส่วนเกิน F ของอุปกรณ์ APD กับระบบวัสดุที่แตกต่างกัน

เทคโนโลยีการนับโฟตอนเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่สามารถดึงสัญญาณแสงจากสัญญาณรบกวนความร้อนแบบดิจิทัล โดยการแยกพัลส์โฟโตอิเล็กตรอนที่สร้างขึ้นโดยเครื่องตรวจจับแสงหลังจากได้รับโฟตอนเพียงตัวเดียว เนื่องจากสัญญาณแสงน้อยจะกระจายตัวมากกว่าในโดเมนเวลา สัญญาณไฟฟ้าที่ส่งออกโดยเครื่องตรวจจับจึงมีความเป็นธรรมชาติและแยกส่วนกัน ตามลักษณะของแสงที่อ่อนแอนี้ มักจะใช้การขยายพัลส์ การแบ่งแยกพัลส์ และเทคนิคการนับแบบดิจิทัลเพื่อตรวจจับแสงที่อ่อนมาก เทคโนโลยีการนับโฟตอนสมัยใหม่มีข้อดีหลายประการ เช่น อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนสูง การแบ่งแยกสูง ความแม่นยำในการวัดสูง ป้องกันการเคลื่อนตัวที่ดี ความเสถียรของเวลาที่ดี และสามารถส่งข้อมูลไปยังคอมพิวเตอร์ในรูปแบบสัญญาณดิจิทัลเพื่อการวิเคราะห์ในภายหลัง และการประมวลผลซึ่งไม่มีวิธีการตรวจจับอื่นๆ เทียบได้ ในปัจจุบัน ระบบการนับโฟตอนมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการวัดทางอุตสาหกรรมและการตรวจจับแสงน้อย เช่น เลนส์ไม่เชิงเส้น อณูชีววิทยา สเปกโทรสโกปีความละเอียดสูงพิเศษ การวัดแสงทางดาราศาสตร์ การวัดมลภาวะในบรรยากาศ ฯลฯ ซึ่งมีความเกี่ยวข้องกัน เพื่อการรับและตรวจจับสัญญาณแสงที่อ่อน เครื่องตรวจจับหิมะถล่มแคดเมียมเทลลูไรด์ปรอทแทบไม่มีเสียงรบกวนมากเกินไป เมื่อได้รับเพิ่มขึ้น อัตราส่วนสัญญาณต่อเสียงรบกวนไม่สลายตัว และไม่มีเวลาตายและข้อ จำกัด หลังพัลส์ที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์หิมะถล่มของ Geiger ซึ่งเหมาะมากสำหรับ การประยุกต์ใช้ในการนับโฟตอนและเป็นทิศทางการพัฒนาที่สำคัญของอุปกรณ์นับโฟตอนในอนาคต