Máy dò photon đơn (SPD), loại, nguyên tắc làm việc, chức năng, ứng dụng

A Máy dò photon đơnlà một thiết bị rất nhạy cảm có khả năng phát hiện các photon riêng lẻ (đơn vị ánh sáng nhỏ nhất). Các máy dò này rất quan trọng trong quang học lượng tử, giao tiếp lượng tử và nhiều trường khác trong đó phát hiện các tín hiệu ánh sáng cực kỳ yếu là rất cần thiết.

Các loại sMáy dò Photon Ingle

Avalanche Photodiode (APD) ở chế độ Geiger

Loại SPD phổ biến nhất.

Hoạt động với một điện áp thiên vị trên sự cố, tạo ra một trận tuyết lở tự duy trì được kích hoạt bởi một photon duy nhất.

Thông thường các APD Ingaas (đối với gần hồng ngoại) hoặc APD silicon (cho ánh sáng nhìn thấy).

Máy dò photon đơn siêu dẫn (SNSPD)

Sử dụng một dây nano siêu dẫn được làm mát đến nhiệt độ đông lạnh.

Cung cấp hiệu quả phát hiện rất cao, số lượng tối thấp và jitter thời gian cực thấp.

Hoạt động trong nhìn thấy và gần hồng ngoại.

Ống quang hóa (PMT)

Các thiết bị ống chân không khuếch đại các tầng điện tử được tạo ra bởi sự hấp thụ photon.

Tăng cao và phản ứng nhanh nhưng cồng kềnh và nhạy cảm với từ trường.

Được sử dụng chủ yếu trong phạm vi ánh sáng nhìn thấy.

Bộ đếm photon ánh sáng có thể nhìn thấy (VLPC)

Các thiết bị bán dẫn có mức tăng cao và độ nhạy photon đơn.

Hoạt động ở nhiệt độ đông lạnh.

Cảm biến cạnh chuyển tiếp (TES)

Các máy dò siêu dẫn đo năng lượng photon bằng cách phát hiện thay đổi nhiệt độ.

Vô cùng nhạy cảm với độ phân giải số photon.

Photomultipliers silicon (SIPM)

Mảng của các APD GEIGER MODE hoạt động song song.

Đếm photon nhỏ gọn và có thể mở rộng với độ phân giải thời gian vừa phải.

Nguyên tắc làm việc

Avalanche Photodiode (Chế độ Geiger):

Hấp thụ photon:

Một photon đến duy nhất được hấp thụ trong vùng suy giảm của APD, tạo ra một cặp lỗ electron.

Nhân đa nhân: Avalanche:

Thiết bị này bị sai lệch trên điện áp phân hủy của nó.

Các nhà mạng ban đầu kích hoạt tuyết lở tự duy trì, dẫn đến một xung dòng lớn cho thấy phát hiện photon.

Làm nguội:

Trận tuyết lở được làm nguội bằng cách giảm điện áp thiên vị hoặc sử dụng các mạch điện tử để đặt lại máy dò.

SNSPD:

Nanowire siêu dẫn:

Một dây siêu dẫn được làm mát dưới nhiệt độ tới hạn, mang dòng điện mà không có điện trở.

Phát hiện photon:

Sự hấp thụ của một photon phá vỡ cục bộ cục bộ, gây ra một điểm nóng điện trở.

Tạo tín hiệu:

Điểm nóng điện trở tạo ra một xung điện áp, cho thấy sự xuất hiện của photon.

Sự hồi phục:

Dây nguội đi và trở về trạng thái siêu dẫn, sẵn sàng cho photon tiếp theo.

Chức năng

Phát hiện các photon đơn:

Cung cấp đầu ra tín hiệu số cho mỗi photon được phát hiện.

Độ nhạy cao:

Phát hiện tín hiệu quang cực kỳ yếu.

Độ phân giải thời gian:

Cung cấp thời gian chính xác (picosecond đến quy mô nano giây) cho đến photon.

Đếm photon:

Đếm số lượng photon trong các thí nghiệm ánh sáng yếu hoặc lượng tử.

Tỷ lệ đếm tối thấp:

Giảm thiểu số lượng sai từ tiếng ồn.

Phạm vi quang phổ:

Hoạt động quá mức có thể nhìn thấy các bước sóng gần hồng ngoại tùy thuộc vào loại.

Ứng dụng

Phân phối khóa lượng tử (QKD)

Cần thiết cho giao tiếp lượng tử an toàn bằng cách phát hiện các photon đơn mã hóa các bit lượng tử.

Quang học lượng tử và điện toán lượng tử

Được sử dụng trong xử lý thông tin lượng tử dựa trên photon và các thí nghiệm cơ bản.

Lidar và Viễn thám

Cho phép phát hiện các tín hiệu phản xạ rất yếu trong Lidar tầm xa.

Kính hiển vi hình ảnh trọn đời huỳnh quang (FLIM)

Phát hiện các photon đơn phát ra từ các mẫu huỳnh quang cho hình ảnh sinh học.

Khoa học thiên văn và không gian

Phát hiện ánh sáng cực kỳ mờ nhạt từ các ngôi sao xa xôi hoặc các thiên hà.

Đếm photon đơn tương quan thời gian (TCSPC)

Các biện pháp thời gian đến của photon cho quang phổ cực nhanh và các phép đo trọn đời.

Đo lường quang học

Các phép đo độ chính xác cao trong giao thoa kế và chụp cắt lớp kết hợp quang học.

Bảng tóm tắt