2020最后一天 || 常用光子计数检测器分类与原理

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参考文献：

PicoQuant: 光子计数和定时产品宣传手册

PicoQuant: 时间相干单光子计数技术手册

PicoHarp 300产品说明网页

PicoHarp 300软件使用说明

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本文对光子计数检测器中三种常见sensor： 光电倍增管、微通道板PMT 和 雪崩光电二极管(APD)进行介绍。

光电倍增管 Photomultiplier Tube (PMT)

原理

• PMT由光敏光电阴极组成，该光电阴极在曝光时会产生电子。

• 这些电子被引导到称为倍增极的带电电极上。

• 经过多个打拿极反复放大后，电子在PMT的阳极收集并作为电流输出。

特点

• PMT可用作动态范围大的模拟检测器。

• PMT是一种高灵敏度和低噪声的光电子放大器。

• PMT非常快，因此可以可靠地监视快速连续事件。

• PMT可用作单光子探测器

PMT与单光子计数

单光子计数原理

• 在光子计数模式下，会记录撞击PMT光电阴极的单个光子。

• 每个光子事件都会在输出端产生电脉冲。

• 光子到达和电输出（传输时间扩展）之间的时间不确定性通常足够小，以允许以亚纳秒为单位的时间分辨光子计数。

• 在单光子计数模式下，电子管通常在PMT最敏感的恒定高电压下运行。

光子计数时存在的问题

• 随着较高光水平下光子事件的数量增加，将难以区分各个脉冲，并且光子计数将变为非线性。

• 这是一个渐进的过程，通常在1到10 Mcps时会变得明显，具体取决于PMT模型。

• 在TCSPC应用中，随着计数率的增加，单个光子脉冲可能会合并为一个。 这导致脉冲堆积和收集的直方图失真。

应用光谱范围

• PMT通常在可见光谱的蓝色和红色区域之间运行
  • 在蓝绿色区域中具有最大的量子效率，具体取决于光阴极材料。
  • 典型的最大量子效率约为25％。
  • 对于在光谱的紫外-可见-近红外区域的光谱实验，PMT非常适合。

暗计数及缓解

• 由于来自管中各种来源的噪声，PMT的输出可能包含与光输入无关的脉冲。 这些被称为暗计数。

• 检测系统可以通过电子鉴别器电路在某种程度上抑制这些杂散脉冲。

微通道板PMT Micro Channel Plate PMT (MCP)

• 微通道板PMT由一系列玻璃毛细管（内径为5至25μm）组成，这些毛细管在内部涂有电子发射材料。

• 毛细管被偏置在高电压下。 像在PMT中一样，撞击毛细管之一内壁的电子会产生大量的二次电子。

比PMT的优势

• 与普通PMT相比，输出脉冲的传输时间扩展大大减少。

• 因此，MCP的定时抖动足够小，可以执行皮秒级的时间分辨光子计数，通常胜过PMT。

• 优质但又昂贵的MCP可以实现低至25 ps的时序不确定性。

雪崩光电二极管（APD） Avalanche Photo Diode (APD)

原理

• APD是半导体器件，通常仅限于在光谱的可见到红外部分工作。

• 通常，APD可用于超低光检测（光功率<1 pW）

• 也可在所谓的“盖革”模式（略高于击穿电压的偏压）中用作光子计数器。
  • 单光子雪崩光电二极管（SPAD）

特点

• 优质的小型的设备即可实现低至50 ps的时序精度，但小型设备通常难以对齐且难以聚焦。

• 单光子检测概率可能高达约50％。 APD通常比PMT噪声大，但量子效率更高。

• 对于厚结(thick junction)设计，报道的最大量子效率约为70％。 这样的设备可以提供约400 ps的定时精度，并规定其量子效率为60％。

• 商用模块经过热电冷却，以降低暗计数率，并提供预成形的TTL脉冲。

• 为了达到规定的定时精度，必须精确聚焦到有效区域的中心。 取决于计数率，IRF也可能发生移动和/或扩展。

 

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本文大量参考 PicoHarp 300使用说明

原载于 我的博客

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