克服单光子检测的技术挑战

 

　　人类对更好地理解周围世界行为的自然渴望为我们带来了量子光学的研究领域;研究光作为量子化光子的性质和效应。快速发展的量子光学世界产生了对新一代高性能探测器的需求，这些探测器可以准确有效地检测小至单个光子的光信号。

　　这些探测器对于高端激光雷达、量子光学、量子电信、高能物理、粒子物理、核物理、荧光成像、天文学、等离子体研究等应用和研究领域至关重要。精度、高效率地检测单个光子的能力对于推进这些领域至关重要。

　　对单光子探测技术的需求

　　单光子探测和成像技术是人们强烈且持续关注的领域。快速发展的研究领域代表了我们在可见光谱内的日常经验与我们可以获取低至单个光子的低水平光信号的量子领域之间的桥梁。

　　上述应用提出了严格的工程要求，例如高光子探测效率、低暗计数率、红外光谱灵敏度以及仪器限制时间抖动。这些应用及其要求共同推动了单光子探测器的研究和开发工作。

　　常见类型的单光子探测技术包括雪崩光电二极管 (APD)、单光子雪崩二极管 (SPAD)、跃迁边缘传感器、单电子晶体管探测器 (SET)、超导纳米线单光子探测器 (SNSPD) 和基于真空管的光子探测器。有关各种单光子探测器的更多信息，请参见此处。虽然存在多种类型的探测器，但真空管探测器因其能够在较宽的温度条件下工作、高探测效率以及相对便宜的价格而脱颖而出。

　　真空管探测器：它们是如何工作的

　　基于真空管的图像增强管因其在军事应用中使用的夜视镜中的应用而闻名。同样的技术还可用于构建用于低光成像和单光子计数的高灵敏度检测解决方案。

　　关键部件和功能

　　基于真空管的图像增强管由几个基本部件组成;光电阴极、微通道板 (MCP) 和阳极。这些组件协同工作以放大输入信号，从而创建丰富且动态的输出。

　　操作原理

　　第一步，现有的环境光穿过光电阴极，光电阴极将传入的光子信号转换为光电子。

　　在第二步中，光电子被电场吸引到 MCP 中，在那里它们在内壁上多次撞击，从而倍增数千次。在光子计数应用中，使用阳极检测倍增的电子信号。在光子成像应用中，阳极将电子转换回光子以产生图像。

　　要进一步直观地了解图像增强管的工作原理，这是一种用于单光子和低光水平成像的高级图像增强器适配器。

　　真空管探测器的优

　　基于真空管的单光子探测器的一个主要优点是其高探测效率。

　　真空内薄感光层(光电阴极)的特性可实现极低的暗计数率以及市场领先的量子效率。

　　真空和真空中的部件的质量使得脉冲后几乎不存在。这导致单光子的高探测效率，从而使得探测和测量极弱的光信号成为可能。

　　基于真空管的光子探测器的另一个优点是其低噪声运行。门控操作模式(极快电子快门)允许光电阴极仅在短时间内处于活动状态，从而减少暗计数和脉冲后产生的错误计数数量。这使得在广泛的科学和工业应用中准确检测和测量微弱的光信号成为可能。

　　可靠性和使用寿命

　　基于真空管的单光子探测器的一个优点是它们能够在较宽的温度范围和极端环境下运行。管内的极高真空 (XHV) 有助于保护光电阴极免受损坏，从而延长探测器的使用寿命。这使得基于真空管的单光子探测器成为恶劣环境和长期测量的理想选择。

　　价格

　　除了性能优势之外，基于真空管的单光子探测器的生产成本比其他类型的单光子探测器相对便宜。其长寿命优势加上低成本使得基于真空管的探测器成为单光子探测和成像技术的理想选择。因此，这些探测器更适合广泛的用户和各种应用。

　　光子解决方案

　　Photonis 提供最先进的真空管探测器技术，为新一代高性能光子探测器提供先进的解决方案。它们在量子光学中的应用使我们能够揭示周围世界中的不可见事物!

　　Photonis 为 OEM 和最终用户应用提出了各种类型的高灵敏度、快速定时、低噪声、基于真空管的单光子探测器。我们的专家团队提供支持和咨询服务，帮助选择和实施适合所有应用(从太空到量子电信等)的正确单光子探测器。

　　Photonis多碱Hi-QE光电阴极技术结合了120-1050 nm光谱范围内的高量子效率(QE)和低至50 Hz/cm²的暗计数率，从而实现了极好的信噪比。当光电阴极用作超快电光快门时，可以实现亚纳秒(十亿分之一秒)的选通速度，以实现精确的瞬态现象成像。

审核编辑 黄宇