შესავალი, ფოტონების დამთვლელი ტიპის ხაზოვანი ზვავის ფოტოდეტექტორი

შესავალი, ფოტონების დათვლის ტიპიხაზოვანი ზვავის ფოტოდეტექტორი

ფოტონების დათვლის ტექნოლოგიას შეუძლია სრულად გააძლიეროს ფოტონის სიგნალი ელექტრონული მოწყობილობების წაკითხვის ხმაურის დასაძლევად და ჩაწეროს დეტექტორის მიერ გამომავალი ფოტონების რაოდენობა გარკვეული პერიოდის განმავლობაში დეტექტორის გამომავალი ელექტრული სიგნალის ბუნებრივი დისკრეტული მახასიათებლების გამოყენებით სუსტი სინათლის დასხივების ქვეშ და გამოთვალოს გაზომილი სამიზნის ინფორმაცია ფოტონომმეტრის მნიშვნელობის მიხედვით. უკიდურესად სუსტი სინათლის აღმოჩენის რეალიზაციისთვის, სხვადასხვა ქვეყანაში შესწავლილია ფოტონების აღმოჩენის შესაძლებლობის მქონე მრავალი სხვადასხვა სახის ინსტრუმენტი. მყარი მდგომარეობის ზვავის ფოტოდიოდი (APD ფოტოდეტექტორი) არის მოწყობილობა, რომელიც იყენებს შინაგან ფოტოელექტრულ ეფექტს სინათლის სიგნალების აღმოსაჩენად. ვაკუუმურ მოწყობილობებთან შედარებით, მყარი მდგომარეობის მოწყობილობებს აშკარა უპირატესობები აქვთ რეაგირების სიჩქარის, სიბნელის დათვლის, ენერგომოხმარების, მოცულობისა და მაგნიტური ველის მგრძნობელობის და ა.შ. მხრივ. მეცნიერებმა ჩაატარეს კვლევა მყარი მდგომარეობის APD ფოტონების დათვლის ვიზუალიზაციის ტექნოლოგიაზე დაყრდნობით.

APD ფოტოდეტექტორის მოწყობილობაგეიგერის რეჟიმის (GM) და წრფივი რეჟიმის (LM) ორი სამუშაო რეჟიმით, ამჟამინდელი APD ფოტონების დათვლის ვიზუალიზაციის ტექნოლოგია ძირითადად იყენებს გეიგერის რეჟიმის APD მოწყობილობას. გეიგერის რეჟიმის APD მოწყობილობებს აქვთ მაღალი მგრძნობელობა ერთი ფოტონის დონეზე და ათობით ნანოწამის მაღალი რეაგირების სიჩქარე მაღალი დროის სიზუსტის მისაღწევად. თუმცა, გეიგერის რეჟიმის APD-ს აქვს გარკვეული პრობლემები, როგორიცაა დეტექტორის მკვდარი დრო, დაბალი აღმოჩენის ეფექტურობა, დიდი ოპტიკური კროსვორდი და დაბალი სივრცითი გარჩევადობა, ამიტომ რთულია მაღალი აღმოჩენის მაჩვენებელსა და ცრუ განგაშის დაბალ მაჩვენებელს შორის წინააღმდეგობის ოპტიმიზაცია. თითქმის ხმაურიანი მაღალი მოგების HgCdTe APD მოწყობილობებზე დაფუძნებული ფოტონების მთვლელები მუშაობენ წრფივ რეჟიმში, არ აქვთ მკვდარი დროის და ჯვარედინი სიგნალიზაციის შეზღუდვები, არ აქვთ გეიგერის რეჟიმთან დაკავშირებული პოსტ-იმპულსური, არ საჭიროებენ ჩაქრობის წრედებს, აქვთ ულტრამაღალი დინამიური დიაპაზონი, ფართო და რეგულირებადი სპექტრული რეაგირების დიაპაზონი და შეიძლება დამოუკიდებლად ოპტიმიზებული იყოს აღმოჩენის ეფექტურობისა და ცრუ დათვლის სიჩქარისთვის. ეს ხსნის ინფრაწითელი ფოტონების დათვლის გამოსახულების ახალ გამოყენების სფეროს, წარმოადგენს ფოტონების დათვლის მოწყობილობების განვითარების მნიშვნელოვან მიმართულებას და აქვს ფართო გამოყენების პერსპექტივები ასტრონომიულ დაკვირვებაში, თავისუფალი სივრცის კომუნიკაციაში, აქტიურ და პასიურ გამოსახულებაში, ფრთების თვალყურის დევნებაში და ა.შ.

ფოტონების დათვლის პრინციპი HgCdTe APD მოწყობილობებში

HgCdTe მასალებზე დაფუძნებულ APD ფოტოდეტექტორულ მოწყობილობებს შეუძლიათ ტალღის სიგრძის ფართო დიაპაზონის დაფარვა, ხოლო ელექტრონებისა და ხვრელების იონიზაციის კოეფიციენტები ძალიან განსხვავებულია (იხ. სურათი 1 (ა)). ისინი ავლენენ ერთი გადამტანის გამრავლების მექანიზმს 1.3~11 µm ზღვრული ტალღის სიგრძის ფარგლებში. თითქმის არ არის ზედმეტი ხმაური (შედარებით Si APD მოწყობილობების ჭარბი ხმაურის ფაქტორ FSi~2-3-თან და III-V ოჯახის მოწყობილობების FIII-V~4-5-თან (იხ. სურათი 1 (ბ)), ისე, რომ მოწყობილობების სიგნალ-ხმაურის თანაფარდობა თითქმის არ მცირდება გაძლიერების ზრდასთან ერთად, რაც იდეალური ინფრაწითელია.ზვავის ფოტოდეტექტორი.

სურ. 1 (ა) ვერცხლისწყლის კადმიუმის ტელურიდის მასალის დარტყმითი იონიზაციის კოეფიციენტის თანაფარდობასა და Cd-ს x კომპონენტს შორის დამოკიდებულება; (ბ) APD მოწყობილობების ჭარბი ხმაურის კოეფიციენტის F შედარება სხვადასხვა მასალის სისტემებთან

ფოტონების დათვლის ტექნოლოგია არის ახალი ტექნოლოგია, რომელსაც შეუძლია ციფრულად ამოიღოს ოპტიკური სიგნალები თერმული ხმაურიდან, მიერ გენერირებული ფოტოელექტრონული იმპულსების გარჩევით.ფოტოდეტექტორიერთი ფოტონის მიღების შემდეგ. რადგან დაბალი სინათლის სიგნალი უფრო მეტად არის გაფანტული დროის დომენში, დეტექტორის მიერ გამომავალი ელექტრული სიგნალიც ბუნებრივი და დისკრეტულია. სუსტი სინათლის ამ მახასიათებლის მიხედვით, უკიდურესად სუსტი სინათლის აღმოსაჩენად ჩვეულებრივ გამოიყენება იმპულსური გაძლიერების, იმპულსური დისკრიმინაციის და ციფრული დათვლის ტექნიკა. თანამედროვე ფოტონების დათვლის ტექნოლოგიას აქვს მრავალი უპირატესობა, როგორიცაა სიგნალისა და ხმაურის მაღალი თანაფარდობა, მაღალი დისკრიმინაცია, გაზომვის მაღალი სიზუსტე, კარგი ანტიდრიფტი, კარგი დროითი სტაბილურობა და შეუძლია მონაცემების კომპიუტერში გადატანა ციფრული სიგნალის სახით შემდგომი ანალიზისა და დამუშავებისთვის, რასაც სხვა აღმოჩენის მეთოდები ვერ შეედრება. ამჟამად, ფოტონების დათვლის სისტემა ფართოდ გამოიყენება სამრეწველო გაზომვებისა და დაბალი სინათლის აღმოჩენის სფეროში, როგორიცაა არაწრფივი ოპტიკა, მოლეკულური ბიოლოგია, ულტრამაღალი გარჩევადობის სპექტროსკოპია, ასტრონომიული ფოტომეტრია, ატმოსფერული დაბინძურების გაზომვა და ა.შ., რომლებიც დაკავშირებულია სუსტი სინათლის სიგნალების მიღებასა და აღმოჩენასთან. ვერცხლისწყლის კადმიუმის ტელურიდის ზვავის ფოტოდეტექტორს თითქმის არ აქვს ზედმეტი ხმაური, გაძლიერების ზრდასთან ერთად სიგნალი-ხმაურის თანაფარდობა არ მცირდება და არ არსებობს გეიგერის ზვავის მოწყობილობებთან დაკავშირებული მკვდარი დროის და პოსტ-იმპულსური შეზღუდვა, რაც ძალიან შესაფერისია ფოტონების დათვლისთვის და მომავალში ფოტონების დათვლის მოწყობილობების განვითარების მნიშვნელოვან მიმართულებას წარმოადგენს.