光電倍增管才是單光子探測的yyds

  ICC訊 隨著科技的突飛猛進(jìn)，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(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。因此，研發(fā)出能夠探測單個(gè)光子的探測器成為了科學(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)會產(chǎn)生光電子，產(chǎn)生的光電子在聚焦電場的作用下進(jìn)入倍增級實(shí)現(xiàn)連續(xù)的倍增，從而實(shí)現(xiàn)電信號的連續(xù)放大，最后通過陽極輸出，這個(gè)過程就實(shí)現(xiàn)了單光子信號的探測。

  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(jì)數(shù)探頭。光子計(jì)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(jìn)行計(jì)數(shù)，就可以得到光子數(shù)量，方便實(shí)際測試。

多像素光子計(jì)數(shù)器(MPPC)

  除了上面的真空電子管類型的光子計(jì)數(shù)探測器之外，目前半導(dǎo)體器件也能夠進(jìn)行光子計(jì)數(shù)，常見的就是多像素光子計(jì)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(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)部電場就會變強(qiáng)，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(gè)大的光脈沖，而通過對這個(gè)脈沖的檢測，就可以檢測到單光子，實(shí)現(xiàn)單光子探測!

單光子雪崩光電二極管(SPAD)

      除了MPPC之外，半導(dǎo)體探測器中單光子雪崩光電二極管也能進(jìn)行單光子探測，我們稱之為SPAD。SPAD可以理解為它是由單個(gè)MPPC像素形成的探測器，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，所以它無法反映光強(qiáng)度的變化，只能是對光的有無做出反應(yīng)。而MPPC由于是多個(gè)像素的陣列，我們可以根據(jù)輸出信號的幅度來判斷光信號的強(qiáng)度。但是SPAD也能做到單光子的探測。

  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(dǎo)體探測器兩個(gè)類型，他們都能實(shí)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(diǎn)。相對來說，面積越大，能夠探測到的光子數(shù)也就越多，同時(shí)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(jì)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(jì)數(shù)率同光敏面積成正比，面積的增加會導(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)會隨著面積的增加進(jìn)一步導(dǎo)致波形堆疊，難以對單光子信號進(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)是指探測器在沒有光子進(jìn)入的時(shí)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(jì)數(shù)的值大概在百個(gè)級別，常見的光子計(jì)數(shù)探測器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(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)體探測器，他們都能實(shí)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(dǎo)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(jì)數(shù)探頭和半導(dǎo)體光子探測器型號在同樣光強(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 不同類型探測器弱光信噪比對比(光子計(jì)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(diǎn)，所以在弱光探測環(huán)境中，我們還是推薦使用光電倍增管!