单光子探测器及其发展

单光子探测器及其发展

摘要：本文介绍了光电倍增管单光子探测器、雪崩光电二极管单光子探测器和真空单光子探测器以及它们的基本工作原理和特性，分析了它们各自的优缺点和未来的发展方向。

关键词：单光子探测；光电倍增管（PMT）；雪崩光电二极管（APD）；真空雪崩光电二极管（VAPD）

中图分类号：TP21.14 文献标识码：A

一、引言

单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。

二、单光子探测器的原理及种类

单光子探测是一种极微弱光探测法，它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平（10-14W）还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。单光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其弱的信号识别并提取出来。这种技术和模拟检测技术相比有如下优点[1]：

（1）测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它不稳定因素的影响较小；

（2）消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量结果的信噪比；（3）有比较宽的线性动态区；

（4）可输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字数据处理。

入射的光子信号打到光电倍增器件上产生光电子，然后经过倍增系统倍增产生电脉冲信号，称为单光子脉冲。计数电路对这些脉冲的计数率随脉冲幅度大小的分布如图1所示。脉冲幅度较小的脉冲是探测器噪声，其中主要是热噪声；脉冲幅度较大的是单光电子峰。V h为鉴别电平，用它来把高于V h的脉冲鉴别输出，以实现单光子计数。

可用来作为单光子计数的光电器件有许多种，如光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）、增强型光电极管（IPD）、微通道板（MCP）、微球板（MSP）和真空光电二极管（VAPD）等。

1、光电倍增管（PMT）单光子探测器

光电倍增管是利用光的外光电效应的一种光电器件，主要由光电阴极和打拿极构成。其工作原理如下：首先光电阴极吸收光子并产生外光电效应，发射光电子，光电子在外电场的作用下被加速后打到打拿极并产生二次电子发射，二次电子又在电场的作用下被加速打到下一级打拿极产生更多的二次电子，随着打拿极的增

加，二次电子的数目也得到倍增，最后由光电阳极接收并产生电流或者电压输出信号。

当可见光的辐射光功率低于1.0×10-12～1.0×10-14时，光电倍增管的光电阴极上产生的光电流不再是连续的，这样，在光电倍增管的输出端就有离散的数字脉冲信号输出。当有一个光子信号打到光电阴极上，就会产生一定数量的光电子。这些光电子在电场的作用下，经过打拿极倍增，在输出端就有相应的电脉冲输出。输出端电脉冲的数目与光子数成正比，对这些电脉冲进行计数也就能够相应地确定光子的数目。

光电倍增管单光子探测器主要采用的是一种逐个记录单光电子产生的脉冲数

目的探测技术。这种探测器主要由光电倍增管、制冷系统、宽带放大器、比较器、计数器组成。光电倍增管是整个系统的基础，单光子信号经过光电倍增管，把光子信号转换为电信号。在这过程中，要避免噪声把有用信号湮没。光电倍增管性能的好坏直接决定了单光子探测器性能的好坏，因此选择合适的光电倍增管是非常关键的。单光子探测需要的光电倍增管要求增益高、暗电流小、噪声低、时间分辨率高、量子效率高、较小的上升和下降时间。

影响光电倍增管单光子探测的一个重要因素就是光电倍增管的暗电流，尽管暗电流的成因很复杂，但一般认为光电倍增管的暗电流主要来源于光电倍增管阴极和第一发射极的热电子发射，即热噪声，因此降低热噪声是提高光电倍增管光子

计数率的关键。对于金属来说热发射电流密度j为[2]：j=

(1)

式中，W—金属热发射的逸出功；

T—温度；

e—电子的电荷；

m—电子的质量；

k—玻尔兹曼常数；

h—普朗克常数。

本征半导体的热发射电流密度为：j=(2)

式中，ＥA—电子亲和能；

E

—禁带宽度。

G

在掺杂半导体中，热发射来源于杂质能级，热发射电流密度公式为：

(3) 式中，E F—从价带顶算起的费米能级；

n

—杂质浓度。

由式(1)~(3)可以看出，要降

低热发射噪声，必须降低环境温

度。同时，对于掺杂半导体来说，

热发射噪声还与半导体的掺杂浓

度有关，通常由于掺杂浓度不同，同一种型号的光电倍增管的热发射电流也是不同的。因此在选择光电倍增管时要先对其进行测试，选择适合自己要求的管子。

由于光电倍增管不仅在单光子探测领域，而且在其它的光电检测领域也有很广泛的应用，因此有不少的国家和企业投入了大量的人力和物力进行研究。

PMT具有高的增益（104～107）、大光敏面积、低噪声等效功率（NEP）等优点；但是它体积庞大、量子效率低下、反向偏压高、仅能够工作在UV和可见光谱范围内，抗外部磁场能力较差。

2、雪崩光电二极管（APD）单光子探测器

雪崩光电二极管不同于光电倍增管，它是一种建立在内光电效应基础上的光电器件。雪崩光电二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可以产生10~1 00对光生电子空穴对，从而能够在器件内部产生很大的增益。雪崩光电二极度管工作在反向偏压下，反向偏压越高，耗尽层当中的电场强度也就越大。当耗尽层中的电场强度达到一定程度时（材料不同，电场大小也不一样，如：Si-A PD为105V/cm），耗尽层中的光生电子空穴对就会被电场加速，而获得巨大的动能，它们与晶格发生碰撞，就会产生新的二次电离的光生电子空穴对，新的电子空穴对又会在电场的作用下获得足够的动能，再一次与晶格碰撞又产生更多的光生电子空穴对，如此下去，形成了所谓的“雪崩”倍增，使信号电流放大。

外加电压的变化会使倍增因子发生较大的变化，倍增因子M的经验公式为：M=1/[1-（V/V

）n] （4）

B

式中，V B—APD的雪崩电压。

式中的n因子与PN结低掺杂边是N型还是P型有关，且与入射波长有关。

理论上，当APD的工作电压趋近于雪崩电压时，M将趋于无穷大。但实际上，当工作电压小于雪崩值时，M到1000左右就会饱和，这样的倍增还不足以探测到单光子信号。在单光子探测中，APD一般是工作在所谓的“盖革模式”下，在这种模式下，雪崩光电二极管两端的偏压大于雪崩电压。当有光子信号到达APD时，被APD吸收，并使APD迅速雪崩。为了能够对下一个光子信号产生响应，需要采取一定的抑制电路，使雪崩发生后迅速地被切断，并使APD恢复到接收光子的状态。通常采取的方式有：无源抑制和有源抑制。

一种简单的无源抑制工作方式的工作原理图如图2[3]：