光電倍增管才是單光子探測(cè)的yyds

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

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

  光電倍增管的工作原理如下圖所示：當(dāng)單個(gè)光子到達(dá)陰極面的時(shí)候，由于光電效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生光電子，產(chǎn)生的光電子在聚焦電場(chǎng)的作用下進(jìn)入倍增級(jí)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的倍增，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的連續(xù)放大，最后通過(guò)陽(yáng)極輸出，這個(gè)過(guò)程就實(shí)現(xiàn)了單光子信號(hào)的探測(cè)。

  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(cè)，也被稱(chēng)之為光子計(jì)數(shù)探頭。光子計(jì)數(shù)探頭是在能夠做單光子探測(cè)的光電倍增管的基礎(chǔ)上增加了如下的信號(hào)處理電路，可以將單光子的輸出信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)TL 信號(hào)輸出，通過(guò)對(duì)TTL信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以得到光子數(shù)量，方便實(shí)際測(cè)試。

多像素光子計(jì)數(shù)器(MPPC)

  除了上面的真空電子管類(lèi)型的光子計(jì)數(shù)探測(cè)器之外，目前半導(dǎo)體器件也能夠進(jìn)行光子計(jì)數(shù)，常見(jiàn)的就是多像素光子計(jì)數(shù)器，濱松也稱(chēng)之為MPPC，硅光電倍增管。其中，MPPC是一種由多個(gè)工作在蓋革模式的APD組成的光子計(jì)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(dāng)加有一定的反向偏壓后，它就能夠?qū)怆娏鬟M(jìn)行雪崩放大。而當(dāng)APD的反向偏壓高于擊穿電壓時(shí)，內(nèi)部電場(chǎng)就會(huì)變強(qiáng)，光電流則會(huì)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(guò)倍增就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的光脈沖，而通過(guò)對(duì)這個(gè)脈沖的檢測(cè)，就可以檢測(cè)到單光子，實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)!

單光子雪崩光電二極管(SPAD)

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

  通過(guò)以上介紹我們可以看到，目前單光子探測(cè)器主要分為真空電子管和半導(dǎo)體探測(cè)器兩個(gè)類(lèi)型，他們都能實(shí)現(xiàn)單光子的探測(cè)，那么光電倍增管的優(yōu)勢(shì)在哪呢?

  光敏面積

  光敏面積是單光子探測(cè)中比較關(guān)鍵的一點(diǎn)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，面積越大，能夠探測(cè)到的光子數(shù)也就越多，同時(shí)前端的光路也會(huì)相對(duì)比較簡(jiǎn)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(guò)控制陰極面積的大小來(lái)決定探測(cè)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(jì)數(shù)探頭模塊陰極面積最大的直徑在25毫米，能夠滿(mǎn)足不同光斑大小的探測(cè)需求。但是對(duì)于MPPC來(lái)講，由于面積大小與其性能有直接聯(lián)系，比如，暗計(jì)數(shù)率同光敏面積成正比，面積的增加會(huì)導(dǎo)致暗計(jì)數(shù)率的增加。由于半導(dǎo)體的固有熱噪聲較大，暗計(jì)數(shù)會(huì)隨著面積的增加進(jìn)一步導(dǎo)致波形堆疊，難以對(duì)單光子信號(hào)進(jìn)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(jì)數(shù)

  暗計(jì)數(shù)是指探測(cè)器在沒(méi)有光子進(jìn)入的時(shí)候，探測(cè)器本身的信號(hào)輸出。其中光電倍增管是真空電子管器件，噪聲的主要來(lái)源是陰極面的熱電子發(fā)射，暗計(jì)數(shù)的值大概在百個(gè)級(jí)別，常見(jiàn)的光子計(jì)數(shù)探測(cè)器H10682-110，典型的暗計(jì)數(shù)在50 cps，最大值在100 cps。而MPPC和SPAD是半導(dǎo)體探測(cè)器，不僅光子可以產(chǎn)生載流子，熱電子也會(huì)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(hào)電平，并且暗計(jì)數(shù)的水平明顯高于光電倍增管的暗計(jì)數(shù)，暗計(jì)數(shù)的值大概上千，常見(jiàn)的MPPC光子計(jì)數(shù)模塊C13366-1350GD，典型的暗計(jì)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(dǎo)體探測(cè)器，他們都能實(shí)現(xiàn)單光子探測(cè)，但是由于噪聲的存在，相同信號(hào)的輸入，會(huì)導(dǎo)致不同的信噪比。相對(duì)來(lái)說(shuō)，信噪比越大，說(shuō)明其中的噪聲比較小，能夠有效地反映信號(hào)的情況。通過(guò)對(duì)比目前濱松常見(jiàn)的光子計(jì)數(shù)探頭和半導(dǎo)體光子探測(cè)器型號(hào)在同樣光強(qiáng)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(gè)很好的信噪比。

圖4 不同類(lèi)型探測(cè)器弱光信噪比對(duì)比(光子計(jì)數(shù)探頭&MPPC&SPAD)

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