מבוא, גלאי פוטו ליניארי מסוג ספירת פוטונים

מבוא, סוג ספירת פוטוניםגלאי פוטו ליניארי של מפולת שלגים

טכנולוגיית ספירת פוטונים יכולה להגביר באופן מלא את אות הפוטון כדי להתגבר על רעש הקריאה של מכשירים אלקטרוניים, ולתעד את מספר הפוטונים המופקים מהגלאי בפרק זמן מסוים באמצעות המאפיינים הבדידים הטבעיים של אות החשמל המוצא של הגלאי תחת קרינת אור חלשה, ולחשב את המידע של המטרה הנמדדת בהתאם לערך של מד הפוטונים. על מנת לממש גילוי אור חלש במיוחד, נחקרו סוגים רבים ושונים של מכשירים בעלי יכולת גילוי פוטונים במדינות שונות. פוטודיודה של מפולת שלגים במצב מוצק (גלאי פוטו APD) הוא מכשיר המשתמש באפקט פוטואלקטרי פנימי כדי לזהות אותות אור. בהשוואה להתקני ואקום, להתקני מצב מוצק יש יתרונות ברורים במהירות תגובה, ספירת חושך, צריכת חשמל, נפח ורגישות לשדה מגנטי וכו'. מדענים ביצעו מחקר המבוסס על טכנולוגיית הדמיה של ספירת פוטונים APD במצב מוצק.

התקן גלאי פוטו APDטכנולוגיית הדמיית ספירת הפוטונים APD הנוכחית, הכוללת שני מצבי עבודה במצב גייגר (GM) ומצב ליניארי (LM), משתמשת בעיקר בהתקן APD במצב גייגר. למכשירי APD במצב גייגר יש רגישות גבוהה ברמת פוטון בודד ומהירות תגובה גבוהה של עשרות ננו-שניות כדי להשיג דיוק זמן גבוה. עם זאת, ל-APD במצב גייגר יש כמה בעיות כגון זמן מת בגלאי, יעילות גילוי נמוכה, תשבץ אופטי גדול ורזולוציה מרחבית נמוכה, ולכן קשה לייעל את הסתירה בין שיעור גילוי גבוה לשיעור אזעקות שווא נמוך. מוני פוטונים המבוססים על התקני APD HgCdTe כמעט ללא רעש ובעלי הגבר גבוה פועלים במצב ליניארי, ללא מגבלות זמן מת ומעבר דיבור, ללא פולס פוסט הקשור למצב גייגר, אינם דורשים מעגלי כיבוי, בעלי טווח דינמי גבוה במיוחד, טווח תגובה ספקטרלי רחב וניתן לכוונון, וניתן לייעל אותם באופן עצמאי ליעילות גילוי וקצב ספירה שווא. זה פותח תחום יישום חדש של הדמיית ספירת פוטונים אינפרא אדום, מהווה כיוון פיתוח חשוב של מכשירי ספירת פוטונים, ויש לו סיכויי יישום רחבים בתצפית אסטרונומית, תקשורת מרחב חופשי, הדמיה אקטיבית ופסיבית, מעקב שוליים וכן הלאה.

עקרון ספירת הפוטונים במכשירי APD של HgCdTe

התקני גלאי פוטואלקטריים APD המבוססים על חומרי HgCdTe יכולים לכסות טווח רחב של אורכי גל, ומקדמי היינון של אלקטרונים וחורים שונים מאוד (ראה איור 1 (א)). הם מציגים מנגנון הכפל של נושא גל יחיד בתוך אורך הגל החתוך של 1.3~11 מיקרומטר. כמעט ואין רעש עודף (בהשוואה לגורם רעש עודף FSi~2-3 של התקני Si APD ו-FIII-V~4-5 של התקני משפחת III-V (ראה איור 1 (ב)), כך שיחס אות לרעש של ההתקנים כמעט ולא יורד עם העלייה בהגבר, שהוא אינפרא אדום אידיאלי).גלאי פוטו של מפולת שלגים.

איור 1 (א) הקשר בין יחס מקדם יינון הפגיעה של חומר טלוריד קדמיום כספית לבין רכיב x של Cd; (ב) השוואה של גורם רעש עודף F של התקני APD עם מערכות חומרים שונות

טכנולוגיית ספירת פוטונים היא טכנולוגיה חדשה שיכולה לחלץ דיגיטלית אותות אופטיים מרעש תרמי על ידי פתרון פולסים פוטואלקטרוניים שנוצרים על ידיגלאי אורלאחר קליטת פוטון בודד. מכיוון שאות האור הנמוך מפוזר יותר בתחום הזמן, גם האות החשמלי המופק מהגלאי הוא טבעי ודיסקרטי. בהתאם למאפיין זה של אור חלש, הגברת פולסים, אפליה בפולסים וספירה דיגיטלית משמשות בדרך כלל לגילוי אור חלש ביותר. לטכנולוגיית ספירת פוטונים מודרנית יתרונות רבים, כגון יחס אות לרעש גבוה, אפליה גבוהה, דיוק מדידה גבוה, מניעת סחיפה טובה, יציבות זמן טובה, ויכולה להפיק נתונים למחשב בצורה של אות דיגיטלי לניתוח ועיבוד לאחר מכן, דבר שאין שני לו בשיטות גילוי אחרות. כיום, מערכת ספירת הפוטונים נמצאת בשימוש נרחב בתחום המדידה התעשייתית וגילוי אור נמוך, כגון אופטיקה לא לינארית, ביולוגיה מולקולרית, ספקטרוסקופיה ברזולוציה גבוהה במיוחד, פוטומטריה אסטרונומית, מדידת זיהום אטמוספרי וכו', הקשורים לרכישה וגילוי של אותות אור חלשים. לגלאי פוטואלקטרי של מפולת קדמיום טלוריד כספית כמעט ואין רעש עודף, ככל שההגבר עולה, יחס אות לרעש אינו דועך, ואין הגבלת זמן מת ומגבלת פוסט-פולס הקשורה למכשירי מפולת גייגר, דבר המתאים מאוד ליישום בספירת פוטונים, ומהווה כיוון פיתוח חשוב של מכשירי ספירת פוטונים בעתיד.