A Enkele fotondetector (SPD)is een geavanceerde fotodetector die in staat is om afzonderlijke fotonen te detecteren - de kleinst mogelijke lichteenheid . Deze detectoren zijn van cruciaal belang in toepassingen waar waarExtreem weinig lichtniveausmoet worden gemeten metHoge timingprecisie en gevoeligheid.
Definitie
A Enkele fotonendetectoris een apparaat dat de komst van eenenkel fotonen converteert het in eenelektrisch signaal(meestal een puls) . Het is ontworpen om te werken met extreem lage ruis (donkere tellingen) en een hoge kwantumefficiëntie, zelfs onder zeer zwakke optische signalen .
Soorten enkele fotonendetectoren
| Type | Materiaal / golflengtebereik | Aantekeningen |
|---|---|---|
| Spad (single-foton lawine diode) | SI (zichtbaar), Ingaas (NIR) | Compact, laag vermogen, veel gebruikt |
| Snspd (supergeleidende nanowire) | NBN, WSI (UV to Telecom) | Ultrasnelle, ultra-lage ruis, cryogeen |
| PMT (fotomultiplicatorbuis) | Glazen vacuümbuis (UV-vis) | Hoge winst, groot gebied, kwetsbaar |
| APD (Avalanche fotodiode)In Geiger -modus | SI, Ingaas | Beperkt dynamisch bereik |
| TES (overgangsrandsensor) | Supergeleidende bolometer | Foton-nummer-oplossend, cryogeen |
Hoe het werkt (Spad -voorbeeld)
De SPD is omgekeerd overgestuurd boven zijnafbraakspanning.
Een enkel foton activeert eenlawine vermenigvuldiging, het maken van een grote huidige piek .
Het apparaat isblussen(reset) na de gebeurtenis om het volgende foton te detecteren .
Belangrijkste parameters
| Parameter | Beschrijving |
|---|---|
| Golflengte -gevoeligheid | Hangt af van materiaal (SI: 400-1000 nm, Ingaas: 950–1650 nm) |
| Kwantumefficiëntie (QE) | Fraction of incident photons that generate a signal (often >70%) |
| Dark telsnelheid (DCR) | Valse tellingen per seconde als gevolg van thermische ruis (zo laag als<1 cps in SNSPDs) |
| Timingjitter | Tijdelijke onzekerheid bij detectie (10 ps tot 100 ps) |
| Dode tijd | Hersteltijd na een detectie (10 ns tot verschillende μs) |
| Fotonnummerresolutie | Sommige typen zoals TE's kunnen het aantal gedetecteerde fotonen oplossen |
Voorbeeldspecificaties (Ingaas Spad voor 1550 nm)
| Parameter | Waarde |
|---|---|
| Golflengte bereik | 900–1700 nm |
| QE | ~ 20% bij 1550 nm |
| Dcr | <1000 counts/sec |
| Timingjitter | <200 ps |
| Dode tijd | ~10–50 μs |
| Uitvoer | TTL/ECL -puls |
Toepassingen
| Sollicitatie | Waarom SPD nodig is |
|---|---|
| Kwantumsleuteldistributie (QKD) | Vereist detectie van individuele fotonen voor veilige codering |
| Lidar / tijdstip van vlucht | Maakt precieze 3D -beeldvorming mogelijk met lage reflectie |
| Fluorescentie Lifetime Imaging (FLIM) | Detecteert enkele fluorescerende fotonengebeurtenissen |
| Astronomie / ruimtetelescopen | Detecteert vaag licht van verre objecten |
| Biomedical Imaging (e . g ., pet) | Gebruikt bij het tellen van fotonen voor moleculaire beeldvorming |
| Optisch kwantum computing | Vereist voor logische poorten met één foto en uitlezing |
Voordelen
Extreme gevoeligheid- kan één foton detecteren .
Hoge tijdelijke resolutie-Geweldig voor tijdgerelateerde metingen .
Laag geluid (met koeling/snspd)- Ideaal voor precisietoepassingen .
Schaalbaar- Beschikbaar in arrays voor beeldvorming en lidar .
Beperkingen
| Probleem | Invloed |
|---|---|
| Donkere tellingen | Valse positieven, vooral bij kamertemperatuur |
| Dode tijd | Beperkt maximale telpercentage |
| Koeling nodig | Vooral voor SNSPD's en TE's (vaak cryogeen) |
| Beperkt dynamisch bereik | Niet ideaal voor sterke signalen |
Samenvatting
| Functie | Waarde |
|---|---|
| Functie | Detecteert enkele fotonen en genereert elektrische pulsen |
| Golflengte -gevoeligheid | Hangt af van materiaal (UV - Telecom) |
| Veel voorkomende types | Spad, SNSPD, PMT, TES |
| Belangrijkste toepassingen | Quantum Optics, Lidar, Life Sciences, Astronomy |
| Detectiemodus | Fotonen tellen, tijdgerelateerde metingen |