บทนำ เครื่องตรวจจับแสงแบบอะวาแลนซ์เชิงเส้นชนิดนับโฟตอน

บทนำ ประเภทการนับโฟตอนโฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์เชิงเส้น

เทคโนโลยีการนับโฟตอนสามารถขยายสัญญาณโฟตอนได้อย่างเต็มที่เพื่อเอาชนะสัญญาณรบกวนจากการอ่านค่าของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และบันทึกจำนวนโฟตอนที่ปล่อยออกมาจากตัวตรวจจับในช่วงเวลาหนึ่งโดยใช้ลักษณะเฉพาะของการแยกสัญญาณไฟฟ้าที่ปล่อยออกมาจากตัวตรวจจับภายใต้การฉายแสงที่อ่อนมาก และคำนวณข้อมูลของเป้าหมายที่วัดได้ตามค่าของเครื่องวัดโฟตอน เพื่อให้สามารถตรวจจับแสงที่อ่อนมากได้ จึงมีการศึกษาเครื่องมือต่างๆ ที่มีความสามารถในการตรวจจับโฟตอนในหลายประเทศ เช่น โฟโตไดโอดแบบอะวาแลนซ์โซลิดสเตท (โฟโตดีเทคเตอร์ APDAPD (Application Progressive Photon Detection) เป็นอุปกรณ์ที่ใช้ปรากฏการณ์โฟโตอิเล็กทริกภายในในการตรวจจับสัญญาณแสง เมื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์สุญญากาศ อุปกรณ์โซลิดสเตทมีข้อได้เปรียบที่เห็นได้ชัดในด้านความเร็วในการตอบสนอง การนับแสงมืด การใช้พลังงาน ปริมาตร และความไวต่อสนามแม่เหล็ก เป็นต้น นักวิทยาศาสตร์ได้ทำการวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีการถ่ายภาพโดยการนับโฟตอนของ APD แบบโซลิดสเตท

อุปกรณ์ตรวจจับแสง APDเทคโนโลยีการถ่ายภาพนับโฟตอนด้วย APD มีโหมดการทำงานสองโหมด คือ โหมดไกเกอร์ (GM) และโหมดเชิงเส้น (LM) โดยปัจจุบันเทคโนโลยีนี้ส่วนใหญ่ใช้ APD ในโหมดไกเกอร์ อุปกรณ์ APD ในโหมดไกเกอร์มีความไวสูงในระดับโฟตอนเดี่ยวและมีความเร็วในการตอบสนองสูงถึงหลายสิบนาโนวินาทีเพื่อให้ได้ความแม่นยำของเวลาสูง อย่างไรก็ตาม APD ในโหมดไกเกอร์มีปัญหาบางประการ เช่น เวลาหยุดทำงานของตัวตรวจจับ ประสิทธิภาพการตรวจจับต่ำ การรบกวนทางแสงขนาดใหญ่ และความละเอียดเชิงพื้นที่ต่ำ ดังนั้นจึงยากที่จะปรับสมดุลระหว่างอัตราการตรวจจับสูงและอัตราการแจ้งเตือนผิดพลาดต่ำ เครื่องนับโฟตอนที่ใช้ APD ชนิด HgCdTe ที่มีอัตราขยายสูงและแทบไม่มีสัญญาณรบกวน ทำงานในโหมดเชิงเส้น ไม่มีข้อจำกัดเรื่องเวลาหยุดทำงานและการรบกวน ไม่มีพัลส์หลังที่เกี่ยวข้องกับโหมดไกเกอร์ ไม่จำเป็นต้องใช้วงจรดับ มีช่วงไดนามิกสูงมาก ช่วงการตอบสนองสเปกตรัมกว้างและปรับได้ และสามารถปรับให้เหมาะสมกับประสิทธิภาพการตรวจจับและอัตราการนับผิดพลาดได้อย่างอิสระ เทคโนโลยีนี้เปิดโลกทัศน์ใหม่ของการถ่ายภาพด้วยการนับโฟตอนอินฟราเรด ถือเป็นทิศทางการพัฒนาที่สำคัญของอุปกรณ์นับโฟตอน และมีโอกาสในการประยุกต์ใช้งานอย่างกว้างขวางในด้านการสังเกตการณ์ทางดาราศาสตร์ การสื่อสารในอวกาศ การถ่ายภาพแบบแอคทีฟและพาสซีฟ การติดตามริ้วคลื่น และอื่นๆ

หลักการนับโฟตอนในอุปกรณ์ APD ชนิด HgCdTe

อุปกรณ์ตรวจจับแสง APD ที่ใช้สาร HgCdTe สามารถครอบคลุมช่วงความยาวคลื่นได้กว้าง และค่าสัมประสิทธิ์การแตกตัวเป็นไอออนของอิเล็กตรอนและโฮลนั้นแตกต่างกันมาก (ดูรูปที่ 1 (a)) อุปกรณ์เหล่านี้แสดงกลไกการคูณพาหะเดี่ยวภายในช่วงความยาวคลื่นตัดที่ 1.3~11 µm แทบไม่มีสัญญาณรบกวนส่วนเกิน (เมื่อเทียบกับค่าสัญญาณรบกวนส่วนเกิน FSi~2-3 ของอุปกรณ์ APD ที่ทำจากซิลิคอน และ FIII-V~4-5 ของอุปกรณ์ตระกูล III-V (ดูรูปที่ 1 (b))) ดังนั้นอัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนของอุปกรณ์จึงแทบไม่ลดลงเมื่ออัตราขยายเพิ่มขึ้น ซึ่งถือเป็นอุปกรณ์อินฟราเรดในอุดมคติเครื่องตรวจจับแสงถล่ม.

รูปที่ 1 (ก) ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราส่วนสัมประสิทธิ์การแตกตัวเป็นไอออนของวัสดุปรอทแคดเมียมเทลลูไรด์และส่วนประกอบ x ของ Cd; (ข) การเปรียบเทียบปัจจัยเสียงรบกวนส่วนเกิน F ของอุปกรณ์ APD ที่ใช้ระบบวัสดุต่างกัน

เทคโนโลยีการนับโฟตอนเป็นเทคโนโลยีใหม่ที่สามารถแยกสัญญาณแสงออกจากสัญญาณรบกวนความร้อนได้แบบดิจิทัล โดยการแยกแยะพัลส์โฟโตอิเล็กตรอนที่เกิดขึ้นจาก...โฟโตดีเทคเตอร์หลังจากได้รับโฟตอนเพียงหนึ่งเดียว เนื่องจากสัญญาณแสงอ่อนมีการกระจายตัวมากกว่าในโดเมนเวลา สัญญาณไฟฟ้าที่ส่งออกโดยตัวตรวจจับจึงมีความเป็นธรรมชาติและไม่ต่อเนื่อง ตามลักษณะเฉพาะของแสงอ่อนนี้ เทคนิคการขยายสัญญาณพัลส์ การแยกแยะสัญญาณพัลส์ และการนับแบบดิจิทัลจึงมักถูกนำมาใช้ในการตรวจจับแสงที่อ่อนมาก เทคโนโลยีการนับโฟตอนสมัยใหม่มีข้อดีหลายประการ เช่น อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนสูง การแยกแยะสูง ความแม่นยำในการวัดสูง ความต้านทานต่อการเบี่ยงเบนที่ดี ความเสถียรของเวลาที่ดี และสามารถส่งข้อมูลไปยังคอมพิวเตอร์ในรูปแบบของสัญญาณดิจิทัลเพื่อการวิเคราะห์และประมวลผลในภายหลัง ซึ่งไม่มีวิธีการตรวจจับอื่นใดเทียบได้ ในปัจจุบัน ระบบการนับโฟตอนถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการวัดทางอุตสาหกรรมและการตรวจจับแสงอ่อน เช่น ทัศนศาสตร์แบบไม่เชิงเส้น ชีววิทยาโมเลกุล สเปกโทรสโกปีความละเอียดสูงพิเศษ การวัดแสงทางดาราศาสตร์ การวัดมลพิษทางอากาศ ฯลฯ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการรับและการตรวจจับสัญญาณแสงอ่อน โฟโตดีเทคเตอร์แบบอะวาแลนซ์ปรอทแคดเมียมเทลลูไรด์แทบไม่มีสัญญาณรบกวนส่วนเกิน เมื่ออัตราขยายเพิ่มขึ้น อัตราส่วนสัญญาณต่อสัญญาณรบกวนจะไม่ลดลง และไม่มีช่วงเวลาหยุดทำงานและข้อจำกัดหลังพัลส์ที่เกี่ยวข้องกับอุปกรณ์อะวาแลนซ์ของไกเกอร์ ซึ่งเหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในการนับโฟตอน และเป็นทิศทางการพัฒนาที่สำคัญของอุปกรณ์นับโฟตอนในอนาคต