CN112629682A - 一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器，包括包括光学系统模块，偏置电压模块，SiPM探测器模块，制冷模块，信号放大模块，脉冲甄别整形模块，FPGA计数模块，光学系统模块扩大单光子探测器感光面积，SiPM探测器模块是小活性区面积的SiPM具备光子数分辨能力和较低暗计数率，偏置电压模块为单光子探测器提供反向偏置电压，最终实现微弱光信号的探测。本发明所述的单光子探测器具有较大感光面积、较低暗记数率以及较高光子数分辨能力的SiPM单光子探测器。
Description
技术领域
本发明属于单光子探测技术领域，具体涉及一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器。
背景技术
单光子探测技术在国防建设、工业和民用生活领域具有广泛的应用前景，比如:微弱荧光探测、雷达测距、高能物理、医学成像和量子密钥学等。雪崩光电二极管(SPAD)是目前单光子探测领域比较主流的一类器件，工作于盖革模式，具备皮秒量级的时间分辨能力与单光子灵敏度。入射光信号耦合进入SPAD的方式有多种，包括透镜耦合、光纤耦合以及空间耦合等。耦合性能的好坏决定了光电探测系统的光子收集效率。2019年，长春理工大学和中科院研究所提出了大相对孔径敏感器光学镜头的设计，通过探测器灵敏度模型计算，确定了光学系统的设计参数，进而设计了基于此探测器的光学镜头。2020年，尤立星团队提出光耦合效率、吸收效率及本征探测效率的决定性因素，重点发展接近100％的光纤耦合效率与光吸收效率关键技术通过优化PPLN波导光纤耦合。在SPAD单光子探测器读出电路方面，2018年，深圳大学设计了可控的主动淬灭电路，该电路除可以迅速淬灭雪崩电流以及降低后脉冲效应外，还能控制SPAD是否处于盖革模式，电路的死时间5ns。然而，SPAD单光子探测器不具备光子数分辨能力。相比之下，基于CMOS工艺的硅光电倍增管(SiliconPhotonmultiplier,记为SiPM)可以弥补SPAD器件光子数分辨能力不足的问题。SiPM是一种能探测极微弱光信号的探测器，它具有内部增益大、灵敏度高、响应速度快、探测效率高、噪声低、体积小、结构坚固、对磁场不敏感以及易于集成等优点。SiPM由成千上万个工作在盖革模式下的微型雪崩光电二极管(SPAD微单元)并联组合而成。每个SPAD微单元直径为几微米到几十微米，与淬灭电阻相串联，实现被动淬灭机制。当入射光子同时激发多个SPAD微单元时，SiPM会输出多倍SPAD微单元的叠加信号，因而具备光子数分辨能力。然而，SiPM器件面积为几个平方毫米见方，其常温下的暗计数率在几百kHz以上，严重影响了光子探测的信噪比。
为了解决上述问题，本发明公开了一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器。本发明具有以下优势：(1)采用了SiPM作为探测器件，具备较高的光子数分辨能力；(2)SiPM活性区直径设定为几十微米至几百微米水平，并采用制冷技术以获得近乎理想的暗计数率水平；(3)采用光学耦合手段实现较大感光面积。
发明内容
针对上述所提及的问题，本发明提出了一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器，包括光学系统模块，偏置电压模块，SiPM探测器模块，制冷模块，信号放大模块，脉冲甄别整形模块，FPGA计数模块。所述光学系统模块，包括双透镜聚焦，微纳斜面光纤，光纤夹具。所述脉冲甄别整形模块包含窗口比较器。
进一步的，所述光学系统模块采用双透镜方案将光子聚焦耦合进入微纳斜面光纤中。所述微纳斜面光纤由单模光纤拉锥至微米或纳米级别，端面为45度斜面。所述微纳斜面光纤由夹具固定在其中的微型槽内，与所述SiPM平行耦合，完成较大面积入射光斑向较小面积SiPM活性区内的聚焦。
进一步的，所述SiPM探测器模块采用了较小活性区面积的SiPM，具备光子数分辨能力和较低暗计数率。
进一步的，所述制冷模块通过热电制冷技术使SiPM工作在较低温度，已获得几乎理想的暗计数率水平。
进一步的，所述偏置电压模块与SiPM探测器模块相连，提供高于SiPM反向击穿电压以上的偏置电压。
进一步的，所述信号放大模块通过高速放大器将微弱的电压信号放大。
进一步的，所述脉冲甄别模块通过窗口比较器与放大器相连，对放大的信号进行电平甄别，判断有无光子和同时入射的光子数。
进一步的，所述FPGA计数模块与脉冲甄别整形模块相连，完成对SiPM所响应光子的计数。
本发明的有益效果：本发明首先选用了SiPM单光子探测器，克服了SPAD单光子探测器关于光子数分辨能力的不足。相比常规SiPM几毫米见方的活性区面积，本发明中SiPM直径为几十微米至几百微米水平，以获得较低暗计数率，并采用热电制冷技术对器件工作温度进一步制冷，以获得近乎理想的暗计数率水平。针对此发明中SiPM活性区面积较小的不足，采用了一种基于双透镜和微纳斜面光纤的光学耦合系统，以完成较大面积入射光斑向较小面积SiPM活性区内的聚焦。
附图说明
图1为本发明所述的一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器原理框图；
图2为本发明所述的一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器中光学系统模块示意图；
图3为本发明所述的一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器的光学系统模块中微纳斜面光纤与SiPM探测器光学耦合示意图。
具体实施方式
为了更好的对本发明进行阐述，下面将结合附图作详细说明：下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例：图1为本发明所述的一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器原理框图。包括光学系统模块，偏置电压模块，SiPM探测器模块，制冷模块，信号放大模块，脉冲甄别整形模块，FPGA计数模块，所述光学系统模块，包括双透镜聚焦，微纳斜面光纤，光纤夹具，所述脉冲甄别整形模块，包括窗口比较器。
图2为本发明所述的一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器中光学系统模块示意图。光学系统模块用于探测光的控制和传输，微纳斜面光纤输入端面位于透镜焦点处，光子通过双透镜压缩光束聚焦耦合进入微纳斜面光纤输入端，光子以倏势场的形式在临近光纤表面外部空间传播，微纳斜面光纤由单模光纤拉锥至微米或纳米级别，端面为45度斜面，微纳斜面光纤由夹具固定在其中的微型槽内。图3为本发明所述的一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器的光学系统模块中微纳斜面光纤与SiPM探测器光学耦合示意图。小活性区面积SiPM与微纳斜面光纤水平耦合，探测器光敏面朝上放置，微纳斜面光纤水平放置，水平入射到的微纳斜面光纤的光通过斜面界面时发生全反射，改变光束传播方向，光子在光纤斜切端面的反射在垂直方向耦合进入探测器光敏面，采用有源对准方式，偏置电压模块给SiPM提供高于SiPM反向击穿的偏置电压，SiPM光敏面将接收到的光信号转化为电信号，通过电流显示电信号间接反映耦合情况。光纤耦合照射到小活性区面积SiPM光敏区域，完成较大面积入射光斑像较小面积SiPM活性区内聚焦。
SiPM探测器模块采用了小活性区面积的SiPM，SiPM具有光子数分辨能力和较低的暗计数率。制冷模块通过热电制冷技术使SiPM工作在较低温度，以获得近乎理想的暗计数率水平。
偏置电压模块为SiPM探测器模块提供高于SiPM反向击穿的偏置电压使SiPM工作在盖革模式。来自光学系统模块的光子聚焦到SiPM的有源区，SiPM瞬间发生雪崩击穿产生大电流，流经淬灭电阻时会有较大分压，使SiPM两端的电压下降，雪崩过程被淬灭。当有雪崩发生时，采样电阻上会出现雪崩电压信号，该信号经放大模块放大后进入脉冲甄别模块中，通过设定窗口比较器判定有无光子响应以及响应的光子个数。FPGA计数模块与脉冲甄别整形模块相连，完成对SiPM单光子探测器的光子计数。
Claims (5)
1.一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器，包括光学系统模块，高压电源模块，SiPM探测模块，信号放大模块，脉冲甄别整形模块，FPGA计数模块，其特征在于：所述的光学系统模块，包括双透镜聚焦，微纳斜面光纤，光纤夹具，所述脉冲甄别整形模块，包括窗口比较器。
2.根据权利要求1所述的一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器，其特征在于：所述光学系统模块采用双透镜将光子聚焦耦合进入微纳斜面光纤中，所述微纳斜面光纤由单模光纤拉锥至微米或纳米级别，端面为45度的斜面，所述微纳斜面光纤由夹具固定在其中的微型槽内，所述SiPM与微纳斜面光纤水平耦合，光纤与SiPM光敏面在水平方向上，光纤耦合照射到SiPM敏感区域，完成将较大面积的入射光斑像较小面积SiPM活性区内的聚焦。
3.根据权利要求1所述的一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器，其特征在于：所述SiPM探测器模块采用了较小活性区面积的SiPM，具备光子数分辨能力和较低暗计数率，所述制冷模块通过热电制冷技术使SiPM工作在较低温度。
4.根据权利要求1所述的一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器，其特征在于：所述偏置电压模块与SiPM探测器模块相连，提供高于SiPM反向击穿电压以上的偏置电压。
5.根据权利要求1所述的一种具备光子数分辨能力、低暗计数的单光子探测器，其特征在于：所述窗口比较器与放大器相连，对放大信号进行电平甄别，所述FPGA计数模块与脉冲甄别整形模块相连，进行光子计数。
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