光電倍增管才是單光子探測的yyds

訊石光通訊網(wǎng) 2024/7/10 14:03:42

  ICC訊 隨著科技的突飛猛進,我們逐漸揭開了光子的神秘面紗。由于光子的微弱特性,直接觀測和探測它是一項巨大的挑戰(zhàn)。因此,研發(fā)出能夠探測單個光子的探測器成為了科學家們追求的重要目標。

  市面上已經(jīng)有多種單光子探測器,比如光電倍增管、光子計數(shù)探頭、MPPC和SPAD等。它們各有千秋,但要說到單光子探測的頂尖高手,那非光電倍增管莫屬。那么,這些單光子探測器是如何工作的呢?接下來,讓我們一一揭開它們的神秘面紗!

光電倍增管

  光電倍增管的工作原理如下圖所示:當單個光子到達陰極面的時候,由于光電效應(yīng)會產(chǎn)生光電子,產(chǎn)生的光電子在聚焦電場的作用下進入倍增級實現(xiàn)連續(xù)的倍增,從而實現(xiàn)電信號的連續(xù)放大,最后通過陽極輸出,這個過程就實現(xiàn)了單光子信號的探測。

圖1 端窗型光電倍增管結(jié)構(gòu)光子計數(shù)探頭

  除了光電倍增管裸管,也有光電倍增管模塊能做到單光子探測,也被稱之為光子計數(shù)探頭。光子計數(shù)探頭是在能夠做單光子探測的光電倍增管的基礎(chǔ)上增加了如下的信號處理電路,可以將單光子的輸出信號轉(zhuǎn)換為TTL 信號輸出,通過對TTL信號進行計數(shù),就可以得到光子數(shù)量,方便實際測試。

圖2 光子信號處理電路

多像素光子計數(shù)器(MPPC)

  除了上面的真空電子管類型的光子計數(shù)探測器之外,目前半導體器件也能夠進行光子計數(shù),常見的就是多像素光子計數(shù)器,濱松也稱之為MPPC,硅光電倍增管。其中,MPPC是一種由多個工作在蓋革模式的APD組成的光子計數(shù)型器件,其中APD(雪崩光電二極管)是一種具有高速度、高靈敏度的光電二極管,當加有一定的反向偏壓后,它就能夠?qū)怆娏鬟M行雪崩放大。而當APD的反向偏壓高于擊穿電壓時,內(nèi)部電場就會變強,光電流則會獲得105~106的增益,這種工作模式就叫APD的“蓋革模式”。在蓋革模式下,光生載流子通過倍增就會產(chǎn)生一個大的光脈沖,而通過對這個脈沖的檢測,就可以檢測到單光子,實現(xiàn)單光子探測!

圖3 MPPC輸出示意圖

單光子雪崩光電二極管(SPAD)

      除了MPPC之外,半導體探測器中單光子雪崩光電二極管也能進行單光子探測,我們稱之為SPAD。SPAD可以理解為它是由單個MPPC像素形成的探測器,它只有一個像素點,也就是只有一個能工作在蓋革模式下的APD,所以它無法反映光強度的變化,只能是對光的有無做出反應(yīng)。而MPPC由于是多個像素的陣列,我們可以根據(jù)輸出信號的幅度來判斷光信號的強度。但是SPAD也能做到單光子的探測。

光電倍增管單光子探測優(yōu)勢

  通過以上介紹我們可以看到,目前單光子探測器主要分為真空電子管和半導體探測器兩個類型,他們都能實現(xiàn)單光子的探測,那么光電倍增管的優(yōu)勢在哪呢?

  光敏面積

  光敏面積是單光子探測中比較關(guān)鍵的一點。相對來說,面積越大,能夠探測到的光子數(shù)也就越多,同時前端的光路也會相對比較簡單,不需要復(fù)雜的聚焦系統(tǒng)。由于光電倍增管是真空電子管,我們是可以通過控制陰極面積的大小來決定探測器的光敏區(qū)域。目前濱松最大的光電倍增管陰極面直徑能做到20英寸,光子計數(shù)探頭模塊陰極面積最大的直徑在25毫米,能夠滿足不同光斑大小的探測需求。但是對于MPPC來講,由于面積大小與其性能有直接聯(lián)系,比如,暗計數(shù)率同光敏面積成正比,面積的增加會導致暗計數(shù)率的增加。由于半導體的固有熱噪聲較大,暗計數(shù)會隨著面積的增加進一步導致波形堆疊,難以對單光子信號進行分析。此外,面積越大,寄生電容越大,影響MPPC的響應(yīng)速度。

  暗計數(shù)

  暗計數(shù)是指探測器在沒有光子進入的時候,探測器本身的信號輸出。其中光電倍增管是真空電子管器件,噪聲的主要來源是陰極面的熱電子發(fā)射,暗計數(shù)的值大概在百個級別,常見的光子計數(shù)探測器H10682-110,典型的暗計數(shù)在50 cps,最大值在100 cps。而MPPC和SPAD是半導體探測器,不僅光子可以產(chǎn)生載流子,熱電子也會產(chǎn)生載流子,熱電子生成的載流子也具有單光子水平的信號電平,并且暗計數(shù)的水平明顯高于光電倍增管的暗計數(shù),暗計數(shù)的值大概上千,常見的MPPC光子計數(shù)模塊C13366-1350GD,典型的暗計數(shù)在2.5 kcps,最大值在7 kcps。

  弱光信噪比

  不管是真空電子管還是半導體探測器,他們都能實現(xiàn)單光子探測,但是由于噪聲的存在,相同信號的輸入,會導致不同的信噪比。相對來說,信噪比越大,說明其中的噪聲比較小,能夠有效地反映信號的情況。通過對比目前濱松常見的光子計數(shù)探頭和半導體光子探測器型號在同樣光強環(huán)境下的信噪比,可以看到,在弱光環(huán)境中,光電倍增管具有一個很好的信噪比。

圖4 不同類型探測器弱光信噪比對比(光子計數(shù)探頭&MPPC&SPAD)

  通過以上對比我們可以看到,光電倍增管在單光子探測中,具有面積大、噪聲小、信噪比高的特點,所以在弱光探測環(huán)境中,我們還是推薦使用光電倍增管!

新聞來源:濱松中國

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