CN114878997B - 硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法 - Google Patents

硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开的硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法，包括将硅光电倍增管放在电磁屏蔽盒内，装在精密位移台上；通过显微镜中针孔透光片使皮秒激光束在硅光电倍增管的表面聚焦成光斑；通过稳压电源向硅光电倍增管供电，输出的雪崩脉冲信号先经过高速低噪声放大器进行信号放大，再输入数字示波器来观察雪崩脉冲波形；控制精密位移台移动，通过0.5倍光子等效脉冲的计数率随光斑位置的变化，得到G‑APD单元每个位置的脉冲计数率，根据随位置变化的脉冲计数率的二维数据，采用判据算法计算得到硅光电倍增管的有效填充因子。本发明为SiPM的PDE的限制因素提供了一种测量判据，有利于促进SiPM的PDE参数的提升。

Description

硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法
技术领域
本发明属于微弱光探测方法技术领域，具体涉及一种硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法。
背景技术
硅光电倍增管(SiPM)是由数百至数万个直径为几到几十微米的雪崩光电二极管(G-APD)单元阵列集成在同一个单晶硅片上构成，在核物理、医学成像、激光测距(LIDAR)、生物物理、量子光学、量子信息学等领域都有广泛的应用，很多方面的性能优于光电倍增管(PMT)。光子探测效率(PDE)是SiPM性能的一个重要参数。目前关于提高SiPM探测效率的工作已经有很多，如通过提高量子效率(QE)(参考文献：Claudio Piemonte,Alberto Gola,Overview on the main parameters and technology of modern Sili conPhotomultipliers,Nucl.Instr.and Meth.A,926,(2019):2-15)、填充因子(FF)(参考文献：Alberto Gola,Fabio Acerbi,Massimo Capasso,NUV-Sensitive SiliconPhotomultiplier Technologies Developed at Fondazione Bruno Kessler,Sensors,19,(2019):308)、雪崩击穿触发概率Ptr(参考文献：Fabio Acerbi,Alessandro Ferri,Gaetano Zappala,NUV Silicon Photomulti pliers with High Detection Efficiencyand Reduced Delayed Correlated-Noise,IEEE Transactions on Nuclear Science,62(3),(2015):1318-1325)等方法来提高SiPM总的光子探测效率。然而在实际测量中，人们通常用一定的方法直接测量出PDE的大小，而并不分别测量QE，FF，Ptr。(参考文献：Peng Y,LvWX,Dai L,Zhao TQ,Liang K,Yang R,Han DJ,“A Square-Bordered Position-SensitiveSilicon Photomultiplier Toward Distortion-Free Performance With High SpatialResolution,”IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS,vol.41,no.12,pp.1802-1805,2020；TangXK,Zhang L,Sun CM,etal,“Underwater Wireless Optical Communication Based onDPSK Modulation and Silicon Photomultiplier[J],”IEEE ACCESS,vol.8,pp.204676-204683,2020)。这些测量方法对于表征待测SiPM的整体的PDE是方便的，但并不有利于明晰提升SiPM的PDE的途径。倘若能分别测量出QE，FF，Ptr，则能加深对PDE限制因素的理解，既有利于为提高SiPM的PDE提供指导，也有利于指导优化SiPM的设计与工艺制备流程。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法，为SiPM的PDE的限制因素提供了一种测量判据，有利于促进SiPM的PDE参数的提升。
本发明所采用的技术方案是：硅光电倍增管(SiPM)光敏区有效填充因子的测量方法，该测量方法基于的装置包括放置硅光电倍增管的精密位移台，精密位移台依次电连接有位移台驱动器和计算机，精密位移台的下方设置有光路正对硅光电倍增管的显微镜，显微镜内设置有倾斜的激光分束片，显微镜外的一侧对应激光分束片的位置设置有激光头，激光头电连接有皮秒脉冲激光驱动器；还包括均与硅光电倍增管连接的稳压电源和高速低噪声放大器，高速低噪声放大器的另一端电连接有数字示波器，数字示波器的另一端连接至计算机；该测量方法具体包括以下步骤：
步骤1、将硅光电倍增管放在电磁屏蔽盒内，装在精密位移台上；
步骤2、在激光分束片与硅光电倍增管之间的光路上水平放置中心开孔的针孔透光片；
步骤3、皮秒脉冲激光驱动器使激光头照射皮秒激光束，通过显微镜使皮秒激光束在硅光电倍增管的表面聚焦成光斑；
步骤4、通过稳压电源向硅光电倍增管供电，输出的雪崩脉冲信号先经过高速低噪声放大器进行信号放大，再输入数字示波器来观察雪崩脉冲波形并测量0.5倍等效光子幅度(p.e.)的脉冲计数率RMeas；
步骤5、对测量得到的脉冲计数率RMeas进行校正得到REst，用计算机中的LABVIEW程序控制位移台驱动器使精密位移台移动，进而使硅光电倍增管在X和Y方向上移动，测量不同位置的REst(X,Y)并通过计算机画图得到硅光电倍增管的相对光子探测效率(PDErel)的空间二维分布图；
步骤6、基于空间二维分布图计算得到硅光电倍增管中雪崩光电二极管(G-APD)单元以及硅光电倍增管整体的光敏区有效填充因子。
本发明的特点还在于，
步骤2中的针孔透光片的中心开设有孔径为100微米的针孔。
步骤3通过皮秒脉冲激光驱动器调节皮秒激光束的强度，使硅光电倍增管雪崩的计数率低于皮秒激光束重复频率的10％。
皮秒激光束的重复频率为1-80兆赫兹。
步骤5中通过公式(1)对测量得到的脉冲计数率RMeas进行校正得到REst：
式(1)中，THold-off是延迟时间。
步骤6硅光电倍增管中雪崩光电二极管单元的光敏区有效填充因子通过公式(2)计算得到：
式(2)中，N0是总的扫描点数即总的像素数；N为某个雪崩光电二极管单元中高于判定值的像素数，由判据公式(3)计算得出：
式(3)中，Rmax为某个雪崩光电二极管单元中相对光子探测效率的空间二维分布数据的计数率最大值，R0为某个雪崩光电二极管单元中相对光子探测效率的空间二维分布数据的本底计数率。
步骤6中硅光电倍增管整体的光敏区有效填充因子通过对所有雪崩光电二极管单元的光敏区有效填充因子进行平均计算得到。
步骤6中硅光电倍增管整体的光敏区有效填充因子通过对若干雪崩光电二极管单元的光敏区有效填充因子进行抽样测量来估计。
本发明的有益效果是：
(1)本发明为提升硅光电倍增管的PDE的要素之一(有效填充因子)提供了一种测量判据，有利于检验该要素是否优化；
(2)本发明可以获得硅光电倍增管中G-APD单元内部相对光子探测效率的空间二维分布情况；
(3)本发明可以获得硅光电倍增管中G-APD单元内部光敏区的有效填充因子；
(4)本发明可以通过扫描多个G-APD单元获得硅光电倍增管整体的有效填充因子。
附图说明
图1是本发明的硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法的典型装置结构示意图；
图2是本发明的硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法中光敏区像素判定原理示意图；
图3a)是利用本发明测量得到的G-APD单元尺寸为100微米的硅光电倍增管(型号S10362-100C)的相对光子探测效率空间二维分布图及部分GAPD单元的有效填充因子；
图3b)是利用本发明测量得到的G-APD单元尺寸为25微米的硅光电倍增管(型号S12571-25C)的相对光子探测效率空间二维分布图及部分G-APD单元的有效填充因子(右下角插图为单个G-APD单元的电子显微照片)；
图3c)是利用本发明测量得到的G-APD单元尺寸为10微米的硅光电倍增管(型号S12571-010C)的相对光子探测效率空间二维分布图及部分G-APD单元的有效填充因子(右下角插图为单个G-APD单元的电子显微照片)；
图3d)是利用本发明测量得到的G-APD单元尺寸为35微米的硅光电倍增管(型号FBK VUV-HD-LF)的相对光子探测效率空间二维分布图及部分G-APD单元的有效填充因子；
图3e)是利用本发明测量得到的G-APD单元尺寸为10微米的硅光电倍增管(型号NDL EQR10 11-1010C-T)的相对光子探测效率空间二维分布图及部分G-APD单元的有效填充因子。
1.稳压电源，2.精密位移台，3.高速低噪声放大器，4.数字示波器，5.计算机，6.位移台驱动器，7.皮秒脉冲激光驱动器，8.激光头，9.显微镜10.硅光电倍增管，11.激光分束片，12.针孔透光片。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法，如图1所示，测量方法基于的装置包括放置硅光电倍增管10的精密位移台2，精密位移台2依次电连接有位移台驱动器6和计算机5，精密位移台2的下方设置有光路正对硅光电倍增管10的显微镜9，显微镜9将光束聚焦为一个微小光斑，正对硅光电倍增管10光敏面，显微镜9内设置有倾斜的激光分束片11，显微镜9外的一侧对应激光分束片11的位置设置有激光头8，激光头8电连接有皮秒脉冲激光驱动器7；还包括均与硅光电倍增管10连接的稳压电源1和高速低噪声放大器3，高速低噪声放大器3的另一端电连接有数字示波器4，数字示波器4的另一端连接至计算机5；该测量方法具体包括以下步骤：
步骤1、将硅光电倍增管10放在一个电磁屏蔽盒内，装在压电陶瓷(PZT)精密位移台2上，用来控制硅光电倍增管10的位置；
其中硅光电倍增管10的型号可以选择S10362-100C、S12571-025C或S12571-010C(Hamamatsu Photonics K.K.,日本产)、FBK SiPM(单元尺寸35微米)、NDL EQR10 11-1010C-T SiPM(北京师范大学新器件实验室生产)；压电陶瓷(PZT)精密位移台2型号为(闭环位置分辨率2nm；位移行程，200微米，德国产)
步骤2、在激光分束片11与硅光电倍增管10之间的光路上水平放置针孔透光片12，针孔透光片12的中心开设有孔径为100微米的针孔用来缩小光斑的直径；
步骤3、皮秒脉冲激光驱动器7使激光头8照射皮秒激光束，通过显微镜9使皮秒激光束在硅光电倍增管10的表面聚焦成直径0.6微米左右的光斑；具体处理方法如下：
通过皮秒脉冲激光驱动器7调节激光的强度，使硅光电倍增管10雪崩的计数率比皮秒脉冲激光驱动器7重复频率的10％还低即激光脉冲强度衰减到平均可探测的每个脉冲光子数小于0.1，以确保两个光子同时触发一个脉冲的概率几乎为零。在测量过程中使用重复频率为1-80兆赫兹的激光器，用以保障硅光电倍增管10在上一次激发完后能完全恢复的同时还确保硅光电倍增管10的光子计数率不会过小进而淹没在暗计数率的涨落中。这种情况下，净的计数率(总的计数率减去暗计数率)直接反应了PDE的大小。0.5倍光子等效幅度(p.e.)的脉冲计数率大于或等于最大计数率与本底计数率之和的50％即可认为是光敏区。
其中显微镜9为X-73,Olympus Corp.(日本奥林巴斯公司生产)；皮秒激光束为PDL-800D(中心波长,375nm；半高宽,44ps；重复频率,31.125kHz–80MHz；最大平均光能量,0.7mW；德国PicoQuant公司生产)。
步骤4、通过可编程的稳压电源1向硅光电倍增管10供电，输出的雪崩脉冲信号先经过高速低噪声放大器3进行信号放大，再输入数字示波器4来观察雪崩脉冲波形并获取0.5倍等效光子幅度(p.e.)的脉冲计数率；
步骤5、用计算机5中的LABVIEW程序控制位移台驱动器6使精密位移台2移动，设置数字示波器4的等效光子数阈值在0.5p.e.，从数字示波器4上读出脉冲计数率R0.5 p.e.(X,Y)，每个位置(X,Y)计算一个净计数率，由于数字示波器4有释抑时间，硅光电倍增管10的G-APD单元恢复也需要时间，常称为死时间，会对脉冲计数率造成一定的损失，因此需要对测量得到的脉冲计数率进行校正，死时间校正通过公式(1)计算，
式中，RMeas是测量值，THold-off是延迟时间，REst是根据死时间造成的损失进行修正得到的估计值。
REst随(X,Y)变化的曲面图即为SiPM的PDErel的空间二维分布图，计算机5内嵌Mathematica软件，通过Mathematica软件画图得到硅光电倍增管10的相对光子探测效率PDErel的空间二维分布图，画图也可用其他软件完成。
步骤6、与脉冲计数率的等效光子数阈值选取规则(0.5p.e.,1.5p.e.,2.5p.e.,…)类似，在硅光电倍增管10某个G-APD单元的PDErel的空间二维分布图中，高于最大计数率与本底计数率和的均值(即50％)的区域可以被认为是光敏区，也就是说最大计数率与本底计数率之和的50％即可认为是判定阈值。由于扫描每个G-APD单元的总像素数是一定的，使用大于等于判定值的像素数除以一个G-APD单元总的像素数，即可得到光敏区的填充因子。光敏区有效填充因子公式由如下定义式给出：
式中N为某个G-APD单元中高于判定值的像素数，可由判据公式(3)计算得出。N0是总的扫描点数(总的像素数)。判据公式(3)如下：
式(3)含义是满足逻辑条件的像素数目，其中Rmax为某个G-APD单元中PDErel的空间二维分布数据的计数率最大值，R0为G-APD单元中PDErel的空间二维分布数据的本底计数率。判定原理示意图如图2所示，横轴表示空间位置，纵轴表示脉冲计数率。图中虚线为判定阈值线，大于等于此判定阈值线的像素点的数目即为N。
通过对所有G-APD单元的有效填充因子进行平均，即可得到硅光电倍增管10整体的有效填充因子；也可以通过对硅光电倍增管10中若干G-APD单元的有效填充因子进行抽样测量，来估计硅光电倍增管10整体的有效填充因子。
本发明硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法的原理如下：
皮秒脉冲激光驱动器7和激光头8产生的激光经过激光分束片11和针孔透光片12的针孔照射到精密位移台2上的通过稳压电源1供电的硅光电倍增管10上，输出的雪崩脉冲信号先经过高速低噪声放大器3(型号HAS-Y-2-40,带宽10kHz-1.9GHz，noise figure4.9dB，voltage Gain 40dB(100×)，德国FEMTO公司生产)进行信号放大，然后输入数字示波器4来观察0.5p.e.阈值处的脉冲计数率RMeas，通过死时间矫正公式(1)得到脉冲计数率的修正值REst，移动精密位移台2到硅光电倍增管10的不同位置(X,Y)，可以测量不同位置的REst(X,Y)，然后通过计算机5画图得到硅光电倍增管10的相对光子探测效率PDErel的空间二维分布图，最后通过上述公式(2)、(3)所述算法计算得到硅光电倍增管10中GAPD单元以及SiPM整体的光敏区有效填充因子。
实施例
如下表1所示，本实施例中所采用硅光电倍增管10型号分别为S10362-100C，S12571-025C和S12571-010C,单元尺寸分别为100×100um2,25×25um2和10×10um2；Hamamatsu Photonics K.K.,(日本产)；FBK SiPM、新器件实验室提供的单元尺寸10微米的SiPM；压电陶瓷(PZT)精密位移台2为nanoXYZ(空载分辨率1nm；位移范围，200微米，德国产)；显微镜9为X-73,Olympus Corp.,(日本奥林巴斯公司产)；皮秒激光束为PDL-800D(中心波长,375nm；半高宽,44ps；重复频率,31.125kHz–80MHz；最大平均光能量,0.7mW；德国PicoQuant公司生产)；数字示波器4为数字荧光示波器为DPO4102B-L(采样率5GSa/s,1GHz带宽,美国Tektronix公司生产)；
图3a)到图3e)是不同尺寸的硅光电倍增管10的PDErel的空间二维分布图及部分G-APD单元的有效填充因子，从图3a)到图3e)中明显看出：第一、本发明测得的G-APD单元的PDErel的二维分布和SiPM的单个G-APD单元的照片形状吻合，说明本发明的正确性；第二、同一个SiPM的不同G-APD单元的填充因子略有差别，总的填充因子是各G-APD单元的填充因子的均值；第三、同品牌同单元形状的SiPM，单元尺寸越大，填充因子越大；第四、NDL器件的填充因子更大、更均匀，这与器件是体电阻淬灭结构，表面没有淬灭电阻和器件的圆倒角结构有关；第五、单元尺寸35微米的FBK SiPM的实际填充因子比滨松的25微米单元尺寸的大很多，接近于滨松100微米的单元尺寸的填充因子，原因在于FBK器件的单元之间做有光学隔离槽，光学隔离槽有效地减小了光学传话效应，从而可以减小单元之间的间隔，提高了填充因子。
表1 5种SiPM的填充因子的测量值与标称值比较
通过表1可以看出，所有测得的有效FF数据都与标称值基本一致，FF测量值与其标称值的偏差均小于4％。对于同一制造商的SiPM，测量的FF和标称的FF都随着G-APD单元尺寸的增加而增加，这可以通过简单的几何学知识来解释，以上两个结果说明了本发明方法的合理性和可靠性。

Claims (7)

1.硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法，其特征在于，该测量方法基于的装置包括放置硅光电倍增管(10)的精密位移台(2)，精密位移台(2)依次电连接有位移台驱动器(6)和计算机(5)，精密位移台(2)的下方设置有光路正对硅光电倍增管(10)的显微镜(9)，显微镜(9)内设置有倾斜的激光分束片(11)，显微镜(9)外的一侧对应激光分束片(11)的位置设置有激光头(8)，激光头(8)电连接有皮秒脉冲激光驱动器(7)；还包括均与硅光电倍增管(10)连接的稳压电源(1)和高速低噪声放大器(3)，高速低噪声放大器(3)的另一端电连接有数字示波器(4)，数字示波器(4)的另一端连接至计算机(5)；该测量方法具体包括以下步骤：
步骤1、将硅光电倍增管(10)放在电磁屏蔽盒内，装在精密位移台(2)上；
步骤2、在激光分束片(11)与硅光电倍增管(10)之间的光路上水平放置中心开孔的针孔透光片(12)；
步骤3、皮秒脉冲激光驱动器(7)使激光头(8)照射皮秒激光束，通过显微镜(9)使皮秒激光束在硅光电倍增管(10)的表面聚焦成光斑；
步骤4、通过稳压电源(1)向硅光电倍增管(10)供电，输出的雪崩脉冲信号先经过高速低噪声放大器(3)进行信号放大，再输入数字示波器(4)来观察雪崩脉冲波形并测量0.5倍等效光子幅度的脉冲计数率RMeas；
步骤5、对测量得到的脉冲计数率RMeas进行校正得到REst，REst是根据死时间造成的损失进行修正得到的估计值，用计算机(5)中的LABVIEW程序控制位移台驱动器(6)使精密位移台(2)移动，进而使硅光电倍增管(10)在X和Y方向上移动，测量不同位置的REst(X,Y)并通过计算机(5)画图得到硅光电倍增管(10)的相对光子探测效率的空间二维分布图；
步骤6、基于空间二维分布图计算得到硅光电倍增管(10)中雪崩光电二极管单元以及硅光电倍增管(10)整体的光敏区有效填充因子；硅光电倍增管(10)中雪崩光电二极管单元的光敏区有效填充因子通过公式(2)计算得到：
式(2)中，N0是总的扫描点数即总的像素数；N为某个雪崩光电二极管单元中高于判定值的像素数，由判据公式(3)计算得出：
式(3)含义是满足逻辑条件的像素数目；式(3)中，Rmax为某个雪崩光电二极管单元中相对光子探测效率的空间二维分布数据的计数率最大值，R0为某个雪崩光电二极管单元中相对光子探测效率的空间二维分布数据的本底计数率。
2.如权利要求1所述的硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法，其特征在于，所述步骤2中的针孔透光片(12)的中心开设有孔径为100微米的针孔。
3.如权利要求1所述的硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法，其特征在于，所述步骤3通过皮秒脉冲激光驱动器(7)调节皮秒激光束的强度，使硅光电倍增管(10)雪崩的计数率低于皮秒激光束重复频率的10％。
4.如权利要求3所述的硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法，其特征在于，所述皮秒激光束的重复频率为1-80兆赫兹。
5.如权利要求1所述的硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法，其特征在于，所述步骤5中通过公式(1)对测量得到的脉冲计数率RMeas进行校正得到REst：
式(1)中，THold-off是延迟时间。
6.如权利要求1所述的硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法，其特征在于，所述步骤6中硅光电倍增管(10)整体的光敏区有效填充因子通过对所有雪崩光电二极管单元的光敏区有效填充因子进行平均计算得到。
7.如权利要求1所述的硅光电倍增管光敏区有效填充因子的测量方法，其特征在于，所述步骤6中硅光电倍增管(10)整体的光敏区有效填充因子通过对若干雪崩光电二极管单元的光敏区有效填充因子进行抽样测量来估计。
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