Yksittäinen fotonitekni (SPD), tyypit, työperiaate, toiminnot, sovellukset

A Yksi fotonitekijäon erittäin herkkä laite, joka pystyy havaitsemaan yksittäiset fotonit (pienimmät valon yksiköt) . Nämä ilmaisimet ovat kriittisiä kvanttioptiikassa, kvanttiviestinnässä ja monissa muissa kentissä, joissa erittäin heikkojen kevyiden signaalien havaitseminen on välttämätöntä .}}}}}}}}}}}}}}}

S -tyypitIngle -fotonin ilmaisimet

Avalanche fotodiodi (APD) Geiger -tilassa

Yleisin SPD -tyyppi .

Toimii esijänniteellä jakautumisen yläpuolella, luomalla itsestään ylläpitävän lumivyöryn, jonka laukaisee yksi fotoni .

Usein Ingaas APD: t (lähi-infrapunalle) tai pii-APD: t (näkyvälle valolle) .

Suprajohjainen nano -yksittäinen fotonilatektori (SNSPD)

Käyttää suprajohtoa, joka on jäähdytetty kryogeenisiin lämpötiloihin .

Tarjoaa erittäin korkean havaitsemisen tehokkuuden, matalan tumman määrän ja erittäin pienen ajoituksen .

Toimii näkyvässä ja lähes infrapunassa .

Valokuvien putket (PMT)

Tyhjiöputkilaitteet, jotka vahvistavat fotonin absorptiolla tuotettuja elektronikaskadeja .

Korkea voitto ja nopea vastaus, mutta iso ja herkkä magneettikentälle .

Käytetään enimmäkseen näkyvällä valoalueella .

Näkyvä valofotonilaskurit (VLPC)

Puolijohdelaitteet, joilla on suuri vahvistus ja yksi fotoniherkkyys .

Toimi kryogeenisissä lämpötiloissa .

Siirtymäreunan anturit (TE)

Suprajohtavat ilmaisimet, jotka mittaavat fotonienergiaa havaitsemalla lämpötilan muutokset .

Erittäin herkkä fotoninumero -resoluutiolla .

Piilähote (SIPM)

Geiger-moodin APD: ien taukot, jotka toimivat rinnakkain .

Kompakti ja skaalautuva fotonilaskenta kohtalaisella ajoitusresoluutiolla .

Työperiaate

Avalanche fotodiodi (Geiger -tila):

Fotonin imeytyminen:

Yksi saapuva fotoni absorboituu APD: n ehtymisalueelle, joka tuottaa elektronireiän parin .

Avalanche -kertolasku:

Laite on puolueellinen jakautumisjännitteen . yläpuolella

Alkuperäiset operaattorit laukaisevat itsensä ylläpitävän lumivyöryn, mikä johtaa suureen virran pulssiin, joka osoittaa fotonien havaitsemisen .

Sammutus:

Avalanche sammutetaan vähentämällä esijännitettä tai käyttämällä elektronisia piirejä ilmaisimen nollaamiseen .

SNSPD:

Suprajohjainen nanojohto:

Suprajohtava lanka jäähdytetään kriittisen lämpötilan alapuolella, kantaen virtaa ilman vastustusta .

Fotonin havaitseminen:

Fotonin imeytyminen paikallisesti rikkoo suprajohtavuutta, aiheuttaen resistiivisen hotspot .

Signaalin luominen:

Resistiivinen hotspot luo jännitepulssin, mikä osoittaa fotonien saapumisen .

Toipuminen:

Lanka jäähtyy ja palaa suprajohtavaan tilaan, valmiina seuraavalle fotonille .

Funktiot

Havaita yksittäiset fotonit:

Anna digitaalinen signaalin lähtö jokaiselle havaitulle fotonille .

Korkea herkkyys:

Havaita erittäin heikot optiset signaalit .

Ajoitusresoluutio:

Tarjoa tarkka ajoitus (picosekont nanosekunnin asteikko) fotonien saapumiseen .

Fotonin laskenta:

Laske fotonien lukumäärä hämärässä tai kvantikokeissa .

Matala tumma laskenta:

Minimoi väärät määrät melusta .

Spektrialue:

Toimi näkyvissä lähellä infrapuna-aallonpituuksia tyypistä . riippuen

Sovellukset

Kvanttiavaimen jakauma (QKD)

Välttämätöntä turvalliselle kvanttiviestinnälle havaitsemalla yksittäiset fotonit, jotka koodaavat kvanttibittejä .

Kvanttioptiikka ja kvanttilaskenta

Käytetään fotonipohjaisissa kvanttitietojenkäsittelyssä ja peruskokeissa .

Lidar ja kaukokartoitus

Mahdollistaa erittäin heikojen heijastuneiden signaalien havaitsemisen pitkän kantaman lidarissa .

Fluoresenssin elinajan kuvantamismikroskopia (FLIM)

Havaitsee yksittäiset fluoresoivista näytteistä lähettämät fotonit biologista kuvantamista .

Tähtitiede ja avaruustiede

Tunnista erittäin heikko valo kaukaisista tähdistä tai galakseista .

Aikakorreloitu yksittäinen fotonilaskenta (TCSPC)

Mittaa fotonien saapumisajat ultraspektroskopialle ja elinikäisille mittauksille .

Optinen metrologia

Suuret tarkkuusmittaukset interferometriassa ja optisen koherenssin tomografiassa .

Yhteenvetotaulukko