69 Методы счета фотонов
Метод счета отдельных фотонов. Большая величина коэффициента внутренне- го усиления таких фотоприемников, как фотоэлектронный умножитель, лавинный фотодиод и др., позволяет регистрировать на их выходе импульс тока, инициированный отдельным носителем заряда, образованным при поглощении одного фотона. При регистрации оптического излучения средняя частота следования таких импульсов тока, регистрируемая счетчиком, пропорциональна мощности оптического сигнала, подаваемого на фотоприемник. Сигнальными (или фотоотсчетами) являются импульсы, которые появляются на выходе счетчика фотонов, обусловленные наличием регистрируемого оптического сигнала.
При этом скорость счета сигнальных импульсов nс, равная числу сигнальных импульсов на выходе фотоприемника в единицу времени
nc=
ηр
где ηр – квантовая эффективность регистрации – отношение числа зарегистрированных фотоотсчетов к общему числу попавших в фотоприемник фотонов.
Счетчик фотонов – устройство, реализующее метод счета отдельных фотонов, содержит фотоприемник ФП, сопротивление нагрузки RН, импульсный усилитель У, амплитудный дискриминатор D и счетчик импульсов СИ
При воздействии фотона оптического излучения на фоточувствительный слой фотоприемника происходит передача энергии фотона атому фоточувствительного слоя фотоприемника. За счет получения дополнительной энергии от поступившего фотона оптического излучения в фотоприемнике образуется свободный носитель заряда (фотоноситель), который в процессе умножения носителей инициирует повторное образование других свободных носителей заряда, вызывая тем самым лавинообразный рост их числа. Причем общее количество сформированных свободных носителей заряда определяется коэффициентом умножения M.
Образованные свободные носители заряда создают в выходной цепи фотоприемника одноквантовый импульс напряжения, который выделяется на нагрузочном сопротивлении и подается на вход усилителя, где он усиливается. Затем одноквантовый импульс напряжения поступает на дискриминатор, порог амплитудной дискриминации которого устанавливается непосредственно над уровнем собственных шумов усилителя. При превышении одноквантовым импульсом порога амплитудной селекции дискриминатора на выходе последнего формируется стандартный по амплитуде и длительности выходной импульс, который подается на счетчик импульcов, увеличивая его содержимое на единицу. Счетчик импульсов обеспечивает подсчет числа импульсов, образованных поступившими на вход приемного модуля фотонами оптического излучения. Этот принцип положен в основу работы счетчиков фотонов.
72. Сверхпроводниковые фотоприемники для счета фотонов.
Для реализация режима счета фотонов применяются также сверхпроводниковые однофотонные детекторы (СПОД). Такие фотоприемники представляют собой тонко- пленочную наноструктуру из пленки NbN толщиной 3 – 4 нм нанесенную на сапфировую подложку. Из этой пленки формируется активный элемент детектора – полоска шириной 100 – 120 нм и длинной 500 мкм в форме меандра, покрывающего площадку 10 × 10 мкм2. Отношение площади занятой сверхпроводником ко всей площади устройства достигает 0,6 – 0,7.
Принцип работы фотоприемника основан на использовании резистивной области в узкой сверхпроводящей пленке, возникающей в результате совместного воздействия поглощенного фотона и транспортного тока. Поглощение фотона приводит к локальному подавлению сверхпроводимости. В окрестности образовавшейся нормальной области электрический ток перераспределяется, обтекая её. В результате плотность тока начинает превышать критическую и всё сечение полоски переходит из сверхпроводящего в нормальное состояние, что сопровождается появлением на ней электрического напряжения. Вследствие диффузии концентрация квазичастиц в нормальной области релаксирует к равновесному значению и сверхпроводимость восстанавливается.
Рабочие температуры таких детекторов 2 – 4,2 К. Их спектральная чувствительность находятся в интервале 1,2 – 5,6 мкм, что позволяет реализовать метод одноквантовой регистрации в среднем ИК диапазоне.
Основным недостатком этих фотоприемников является использование сверхнизких температур для реализации режима счета фотонов.