CN113990733B - 大面积红外单光子探测器 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种大面积红外单光子探测器，包括：光子探测阴极(102)，光子探测阴极(102)的面积大于预设面积阈值；收集从光子探测阴极(102)放出的光电子的电子探测器(104)；以及容纳光子探测阴极(102)以及电子探测器(104)的真空容器(106)，真空容器(106)的壳体为透光材料；其中，光子探测阴极(102)包括附着在真空容器(106)的壳体的内表面或外表面的薄膜材料(1022)和附着在真空容器的壳体的内表面的光阴极层(1024)，薄膜材料(1022)用于将红外光转换为可见光，光阴极层(1024)用于使薄膜材料(1022)转换得到的可见光通过光电效应产生光电子。该方法实现了大面积光阴极探测器，来探测红外单光子，并能提高有效探测效率。
Description
技术领域
本公开涉及大面积光子探测技术领域，具体而言，涉及一种大面积红外单光子探测器，可以工作于室温状态。
背景技术
红外单光子探测的应用需求非常大，例如可在生物光子学、医学影像、非破坏性材料检查、国土安全与监视、军事视觉与导航、量子成像以及加密系统等方面取得广泛应用。红外单光子探测技术难度很大。
相关技术中采用半导体探测器进行红外单光子探测，比如碲锌镉等半导体探测器、红外多像素光子计数器(Multi-Pixel Photon Counter，MPPC)等，位置精度很高，强调微米(um)量级的位置分辨。但由于半导体工艺难度较大，制备的探测器有效面积比较小(一般为毫米(mm)量级)，虽然单个半导体探测器的探测效率可以达到50％左右，但在将多个半导体探测器进行拼接以实现大面积(有效面积超过厘米(cm)量级)探测时，大面积半导体探测器的死区很大，因此大型半导体探测器整体探测效率较低，无法大面积使用。
如上所述，如何提高大面积红外单光子探测器的整体探测效率成为亟待解决的问题。
在所述背景技术部分公开的上述信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此它可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开的目的在于提供一种大面积红外单光子探测器，至少在一定程度上克服由于相关技术中大面积红外单光子探测器的整体探测效率较低的问题。
本公开的其他特性和优点将通过下面的详细描述变得显然，或部分地通过本公开的实践而习得。
根据本公开的一方面，提供一种红外单光子探测器，包括：光子探测阴极，所述光子探测阴极的面积大于预设面积阈值；收集从所述光子探测阴极放出的光电子的电子探测器；以及容纳所述光子探测阴极以及所述电子探测器的真空容器，所述真空容器的壳体为透光材料；其中，所述光子探测阴极包括附着在所述真空容器的壳体的表面的薄膜材料和附着在所述真空容器的壳体的内表面的光阴极层，所述薄膜材料用于将红外光转换为可见光，所述光阴极层用于使所述薄膜材料转换得到的可见光通过光电效应产生光电子。
根据本公开的一实施例，所述薄膜材料附着在所述真空容器的壳体的外表面。
根据本公开的一实施例，所述薄膜材料附着在所述真空容器的壳体的内表面，所述薄膜材料位于所述真空容器的壳体与所述光阴极层之间。
根据本公开的一实施例，所述薄膜材料为上转换材料、特殊光学薄膜材料、基于量子点技术的材料以及基于纳米技术的特殊转换材料中的一种材料的薄膜，或为上转换材料、特殊光学薄膜材料、基于量子点技术的材料以及基于纳米技术的特殊转换材料中的至少两种组合而成的组合膜层。
根据本公开的一实施例，所述电子探测器包括阳极或阳极阵列，其中，所述阳极为单片阳极，所述阳极阵列为阵列排列的具有位置分辨的阳极结构。
根据本公开的一实施例，所述电子探测器还包括倍增极，所述倍增极用于入射所述光阴极层产生的光电子后进行倍增获得多个次级电子，以实现电子倍增。
根据本公开的一实施例，所述倍增极为打拿极、微通道板、电子倍增器或发生电子倍增的探测器中的一种，或为打拿极、微通道板、电子倍增器或发生电子倍增的探测器中的至少两种组合而成的组合结构。
根据本公开的一实施例，所述光子探测阴极、多个所述倍增极及所述阳极或阳极阵列在所述真空容器中依次布置。
根据本公开的一实施例，所述电子探测器为对光电子敏感的半导体器件。
根据本公开的一实施例，所述红外单光子探测器还包括与所述电子探测器相连接的信号引出电极，用于将电子探测信号从所述真空容器中导出。
本公开的实施例提供的大面积红外单光子探测器，通过附着在真空容器的透光材料的壳体的内表面或外表面的薄膜材料，将红外光转换为可见光，可见光通过附着在真空容器的壳体的内表面的光阴极层基于光电效应产生光电子，再由真空容器内的电子探测器收集光电子并将信号输出真空容器，由薄膜材料和光阴极层组成的光子探测阴极的面积大于预设面积阈值，从而可实现提高大面积红外单光子探测器的整体探测效率。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。
附图说明
通过参照附图详细描述其示例实施例，本公开的上述和其它目标、特征及优点将变得更加显而易见。
图1示出本公开实施例中一种大面积红外单光子探测器的示意图。
图2示出本公开实施例中另一种大面积红外单光子探测器的示意图。
图3示出本公开实施例中再一种大面积红外单光子探测器的示意图。
图4示出本公开实施例中又一种大面积红外单光子探测器的示意图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施例使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施例的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而省略所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、装置、步骤等。在其它情况下，不详细示出或描述公知结构、方法、装置、实现或者操作以避免喧宾夺主而使得本公开的各方面变得模糊。
在本公开的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。符号“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
在本公开中，除非另有明确的规定和限定，“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是电连接或可以互相通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开中的具体含义。
如上所述，可使用半导体探测器进行红外单光子探测，由于半导体器件的噪声较高，可使用具有半导体制冷的红外敏感的MPPC器件在室温环境工作，可降低噪声，提高信噪比，以实现红外单光子探测。也可使用多碱光阴极的光电倍增管进行红外单光子探测，由于多碱光阴极的电真空器件在面积增大后噪声也较高，可在液氮环境中使用，低温下多碱光阴极的暗噪声比较低，可以实现单光子探测。
相关技术中的红外单光子直接探测方式或需要对器件直接降温制冷，如红外单光子半导体探测器需要大体积大功率的制冷设备或者精密电源，以降低纹波，而且半导体探测器工艺难度较大，有效面积比较小，虽然单个半导体探测器的探测效率可以达到50％左右，但在将多个半导体探测器进行拼接以实现大面积探测时，大面积半导体探测器的死区很大，因此大型半导体探测器整体探测效率较低，无法诸如几平米的有效面积的大面积使用；或需要使用在低温环境中，如多碱光阴极的光电倍增管。因此，本公开提供了一种大面积红外单光子探测器，采用间接探测方法，将红外线转换为可见光，可使用常规的可见光的单光子探测器件进行探测，并可设置大面积的光子探测阴极，通过大幅度增加有效面积，增大整体有效探测效率的同时，无需制冷降低噪声。
材料经波长长、频率低的光激发，发射出波长短、频率高的光的过程称为上转换发光，具有这种性质的材料称为上转换材料。上转换材料可将红外光上转换为可见光来进行探测。根据不同的转换原理可有多种的上转换方式，如由共振能量传递引起的光子叠加(Addition de Photons par Transferts d’Engergie，APTE)效应、两步吸收、协同敏化、协同发光、二次谐波产生(Secondary Harmonic Generation，SHG)、双光子吸收激发等等。其中APTE效应为：一种离子吸收长波长下的光，将能量传递给另一种离子，退激发产生波长较短的光，其中将吸收长波光的元素称为施主离子，将产生短波光的元素称为受主元素。APTE效应发生上转换发光的效率远高于其他五种转换方式，可利用具有APTE效应的材料作为上转换材料实现红外单光子探测。
以下结合附图对本公开实施例进行说明。
图1是根据一示例性实施方式示出的一种大面积红外单光子探测器的结构示意图。
如图1所示，本公开实施例的一种大面积红外单光子探测装置器可以包括光子探测阴极102、收集从所述光子探测阴极放出的光电子的电子探测器104和容纳所述光子探测阴极102以及所述电子探测器104的真空容器106，其中，光子探测阴极102可以包括附着在所述真空容器106的壳体的表面的薄膜材料1022和附着在所述真空容器的壳体的内表面的光阴极层1024。
光子探测阴极102的面积大于预设面积阈值，预设面积阈值例如可以在0.5平方厘米至10平方厘米范围内，例如可以是1平方厘米、π平方厘米、5平方厘米等等。半导体探测器的探测面积为毫米级，而本公开实施例中的光子探测阴极102的面积至少为厘米量级，实现大面积探测。
薄膜材料1022用于将红外光转换为可见光，可以为具有上转换发光性质的材料，例如可为钕(Nd)+铒(Er)的上转换材料等等。关于成膜技术，本公开实施例中，可以选择采用真空蒸镀、溅镀蒸镀、离子镀等为代表的物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)或化学气相沉积(Chemical Vapor Deposition，CVD)；或者针对金属电极还可以选择是电镀、化学镀或阳极氧化等方式。
在一些实施例中，薄膜材料1022也可以为上转换材料、特殊光学薄膜材料、基于量子点技术的材料以及基于纳米技术的特殊转换材料中的至少两种组合而成的组合膜层。
在一些实施例中，可将大面积转化薄膜材料1022涂覆在20英寸双碱光阴极的单光子敏感的光电倍增管的真空壳体外表面，实现使用大面积光电倍增管间接探红外光。
在一些实施例中，可将薄膜材料1022简单涂覆在目前现有的可见光敏感探测器表面，无论是平面、球面，还是异型面，都可以实现将红外光转换为可见光。
真空容器106的壳体为透光材料，真空容器106具有入射窗部位，入射窗可以是参照光电倍增管(Photomultiplier Tube，PMT)的端窗式或侧窗式。如图1所示，薄膜材料1022可附着在所述真空容器106的壳体的外表面。可选择一光阴极层1024覆盖于入射窗部位的内表面，用于使所述薄膜材料转换得到的可见光基于光电效应产生光电子。光阴极层1024可以是金属或其它导体材料通过成膜技术形成。
在一些实施例中，真空容器106可以为玻璃材料。真空容器106的入射端或整体也可由陶瓷、金属等导电材质制成，光阴极层1024可与真空容器106的入射端或整体集成为一体，当然，这里导电材质的真空容器要与内部的各电极隔绝。
在一些实施例中，电子探测器104可以为阳极或阳极阵列与倍增极的组合，具体实施方式可参照图3。
在一些实施例中，电子探测器104也可以为对光电子敏感的半导体器件。
如图1所示，本公开实施例中，电子探测器104位于真空容器106内，电子探测器104可相对光阴极层1024位于真空容器106的另一侧。电子探测器104用于在真空容器106内收集光阴极层1024产生的光电子，并将电子探测信号从真空容器106中输出。
在一些实施例中，还可以包括与电子探测器相连接的信号引出电极1046(图1中未示出)，用于将电子探测信号从所述真空容器106中导出，引出电极1046可以为金属插针或者插座。引出电极1046为插座的情况下，引出电极1046在真空容器106壳体输出端处的内部。引出电极1046为金属插针的具体实施方式可参照图4。
根据图1，红外光子从入射端入射至薄膜材料1022，薄膜材料1022将红外光子转换为可见光子透过真空容器106的透光材料壳体照射到光阴极层1024，光阴极层1024发生光电效应产生光电子，产生的光电子被电子探测器104收集，并将电子探测信号输出到真空容器106之外。
根据本公开实施例提供的大面积红外单光子探测器，采用间接探测方法，将红外线转换为可见光，可使用常规的可见光的单光子探测器件进行探测，设置大面积的光子探测阴极，通过大幅度增加有效面积，增大整体有效探测效率的同时，无需制冷降低噪声。
图2是根据一示例性实施方式示出的另一种大面积红外单光子探测器的结构示意图。
如图2所示，图2与图1的区别在于，薄膜材料1022附着在所述真空容器的壳体的内表面，所述薄膜材料1022位于所述真空容器106的壳体与所述光阴极层1024之间。
在一些实施例中，可将大面积的转化薄膜材料，涂覆在大面积的双碱光阴极的单光子敏感的光电倍增管的真空内，例如在真空容器106的壳体与和光阴极层1024之间。
根据图2，红外光子从入射端透过真空容器106的透光材料壳体照射到薄膜材料1022，薄膜材料1022将红外光子转换为可见光子，可见光子照射至光阴极层1024，然后光阴极层1024发生光电效应产生光电子，产生的光电子被电子探测器104收集，并将电子探测信号输出到真空容器106之外。
图3是根据一示例性实施方式示出的再一种大面积红外单光子探测器的结构示意图。
如图3所示，图3与图1的区别在于，电子探测器104可以包括阳极或阳极阵列1042、倍增极1044。阳极可以为单片阳极，所述阳极阵列可以为阵列排列的具有位置分辨的阳极结构。倍增极可以为大型打拿极、小面积微通道板(Microchannel Plate，MCP)、电子倍增器或发生电子倍增的探测器中的一种，或为打拿极、微通道板、电子倍增器或发生电子倍增的探测器中的至少两种组合而成的组合结构，实现电子倍增。
如图3所示，倍增极1044可以为多个，间隔地分布在光阴极层1024与阳极或阳极阵列1042之间。如图3所示，从入射窗至阳极或阳极阵列1042，光阴极层1024、多个所述倍增极1044及阳极或阳极阵列1042按顺序布置，其中各电极的电位依上述顺序逐级升高，以便于形成作用电场光阴极层1024反应产生的电子逐级引导而倍增放大。
这样，红外光子从入射端入射至薄膜材料1022，薄膜材料1022将红外光子转换为可见光子透过真空容器106的透光材料壳体照射到光阴极层1024，光阴极层1024发生光电效应产生光电子，光电子在真空状态受各电极作用，经各个倍增极1044逐级倍增放大后被阳极或阳极阵列1042收集，可根据阳极或阳极阵列1042的变化信号来探测红外光子信号。这些冲击倍增极1044的电子能使倍增极1044释放更多的电子，它们再被聚焦在下一个倍增极1044。这样，一般经十次以上倍增，放大倍数可达到105～107。最后，在高电位的阳极或阳极阵列1042收集到放大了的电流信号。
在一些实施例中，在光阴极层1024至第一个倍增极1044之间，也可设置有电子束聚焦电场装置(图3中未示出)。
在一些实施例中，电子倍增检测结构的形式，还可以是：环形聚焦型、盒栅型、直线聚焦型、百叶窗型、细网型微通道板(MCP)型、金属通道型等电子倍增检测结构，此外，上述结构中两种结构相混合也是可能的。混合的倍增极可以发挥各自的优势。
图4是根据一示例性实施方式示出的又一种大面积红外单光子探测器的结构示意图。
如图4所示，图4与图1的区别在于，引出电极1046可以为金属插针。从光阴极层1024产生的光电子经过电子探测器104收集(例如经过图3中的多个倍增极1044放大后被阳极或阳极阵列1042收集)，与电子探测器104输出端连接的引出电极1046将电子探测信号导出到真空容器106之外。
无论是由于低温的工况环境的实现，还是探测器的成本造价等，导致不可能使用探测效率到达50％以上的半导体器件来拼成一个1平米的阵列。红外MPPC的报价探测面积为1mm2单是探测器即为500￥，在不考虑电子学的情况下，探测面积达到1m2需要1,000,000个MPPC，造价至少为500,000,000￥，显然不可接受。
采用本公开实施例提供的大面积红外单光子探测器，实现时可通过在现有的用于探测可见光的大面积20英寸光电倍增管的外表面涂覆一层红外到可见光的转换涂层(对应上述的薄膜材料)，就可以方便的实现红外单光子探测。如果使用20英寸的双碱光阴极的单光子敏感的光电倍增管PMT，需要5个左右，每个报价20,000￥，成本不过100,000￥，价格相差5000倍。
使用大面积的光电器件，不需要知道其位置信息，也可以把工作在双碱光阴极的单光子探测器的光电倍增管做的很大，比如20英寸，有效面积比MPPC增加了3.14*250*250＝196,250倍，即使探测效率只有0.5％，整体探测效率可以达到981％，比50％提高了20倍，而且降低了使用难度和维护成本。
以上具体地示出和描述了本公开的示例性实施例。应可理解的是，本公开不限于这里描述的详细结构、设置方式或实现方法；相反，本公开意图涵盖包含在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等效设置。
Claims (14)
1.一种大面积红外单光子探测器，其特征在于，包括：
光子探测阴极，所述光子探测阴极的面积大于预设面积阈值；
收集从所述光子探测阴极放出的光电子的电子探测器；以及
容纳所述光子探测阴极以及所述电子探测器的真空容器，所述真空容器的壳体为透光材料；
其中，所述光子探测阴极包括涂覆在所述真空容器的壳体的表面的薄膜材料和附着在所述真空容器的壳体的内表面的光阴极层，所述薄膜材料用于将红外光转换为可见光，所述光阴极层用于使所述薄膜材料转换得到的可见光基于光电效应产生光电子，以对红外单光子进行探测。
2.根据权利要求1所述的红外单光子探测器，其特征在于，所述薄膜材料附着在所述真空容器的壳体的外表面。
3.根据权利要求1所述的红外单光子探测器，其特征在于，所述薄膜材料附着在所述真空容器的壳体的内表面，所述薄膜材料位于所述真空容器的壳体与所述光阴极层之间。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的红外单光子探测器，其特征在于，所述薄膜材料为掺杂钕和铒的上转换材料的薄膜。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的红外单光子探测器，其特征在于，所述薄膜材料为基于纳米技术的上转换材料的薄膜。
6.根据权利要求5所述的红外单光子探测器，其特征在于，所述基于纳米技术的上转换材料为基于量子点技术的材料的薄膜。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的红外单光子探测器，其特征在于，所述薄膜材料为基于纳米技术、并掺杂钕和铒的上转换材料薄膜。
8.根据权利要求1所述的红外单光子探测器，其特征在于，所述电子探测器包括阳极或阳极阵列，其中，所述阳极为单片阳极，所述阳极阵列为阵列排列的具有位置分辨的阳极结构。
9.根据权利要求8所述的红外单光子探测器，其特征在于，所述电子探测器还包括倍增极，所述倍增极用于入射所述光阴极层产生的光电子后进行倍增获得多个次级电子，以实现电子倍增。
10.根据权利要求9所述的红外单光子探测器，其特征在于，所述倍增极为打拿极、微通道板中的一种，或为打拿极与微通道板组合而成的组合结构。
11.根据权利要求9所述的红外单光子探测器，其特征在于，所述倍增极为电子倍增器、微通道板中的一种，或为电子倍增器与微通道板组合而成的组合结构。
12.根据权利要求9所述的红外单光子探测器，其特征在于，所述光子探测阴极、多个所述倍增极及所述阳极或阳极阵列在所述真空容器中依次布置。
13.根据权利要求1所述的红外单光子探测器，其特征在于，所述电子探测器为对光电子敏感的半导体器件。
14.根据权利要求1所述的红外单光子探测器，其特征在于，还包括与所述电子探测器相连接的信号引出电极，用于将电子探测信号从所述真空容器中导出。
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