多像素光子计数器在单光子探测中的应用

多像素光子计数器在单光子探测中的应用 多像素光子计数器在单光子探测中的应用 第19卷第5期 2011年5月 光学精密工程 OpticsandPrecisionEngineering Vol_19No.5 Mav2O11 文章编号1004—924X(2011)05—0972—05 多像素光子计数器在单光子探测中的应用 赵帅,郭劲,刘洪波,冯强 (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用 国家重点实验室,吉林长春130031;2.中国科学院研究生院,北京100039) 摘要:为提高多像素光子计数器(MPPC)的光子探测效率,量子效率和动态探测范围,研究了MPPC的光子探测性能,特 别是光子分辨能力.以MPPC作为光子探测器件,采用半导体制冷降噪技术及信号外触发技术将其温度稳定在15?, 暗噪声降低为6.5×10count/pulse;采用统计学,利用泊松分布拟合MPPC输出信号.结果显示,衰减后的入射 脉冲光强分布符合泊松分布的特性.根据MPPC的光子探测效率,分析计算出MPPC的能量分辨率;综合脉冲分布特 性及能量分辨率,得出了入射到MPPC上的光脉冲能量的平均值.实验结果明,MPPC在532nm波长下,能量分辨 率为1.96×10-1J;不同衰减倍率下,入射到MPPC的光脉冲平均光子数分别为1.665和4.201;显示MPPC具有光子 分辨能力,适用于大动态范围的弱光探测. 关键词:光子计数器;多像素;光子分辨;能量分辨率;泊松分布 中图分类号:TH724;TP2l1.6文献标识码:Adoi:10.3788/OPE.20111905.0972 Applicationofmuiti-pixelphotoncounterstosinglephotondetection ZHAOShuai,孙,GUOJin,LIUHong—bo,FENGQiang (1.StateKeyLaboratoryofLaserInteractionwithMater, ChangchunInstituteofOptics,FineMechanicsandPhysics, ChineseAcademyofSciences,Changchun130031,China; 2.GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100039,China) *C0r】s户0gauthor,E-mail:ZSO4O148;yahoo.com.cn Abstract:ToimprovethePhotonDetectionEfficiency(PDE),quantumefficiencyandthedynamicde— tectionrangeofaMulti— pixelPhotonCounter(MPPC),itsdetectioncharacteristics,especiallyphoton numberresolvingcapabilitywereresearched.BytakingtheMPPCasaphotondetectingdeviceandu— tilizingthePeltiereffectandexternaltriggertechnology,thetemperatureofMPPCwascontrolled downto15.CandthedarkcountsofMPPCwasreducedto6.5×10一 count/pulse.Then,byusingthe Poissondistribution.theoutputsignalofMPPCwasfittedinthestatistica1method.Obtainedresults indicatethattheintensityoflaserpulsesobeysthePoissondistribution.AccordingtothePDEgiven inthedatasheet,theenergyresolutionofMPPCwascalculated.Furthermore,combinedtheenergy resolutionandintensitydistribution,theaverageenergyoflaserpulseswasobtained.Theexperimen一 收稿日期:2010—07—14;修订日期:2010—08—06. 基金项目:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所第3期创新工程资助项目 (No.098Y32C10O) 第5期赵帅,等:多像素光子计数器在单光子探测中的应用973 talresultsindicatethattheMPPChastheenergyresolutionabout1.96×1O.Jin532nmandtheav— eragephotonnumberoflaserpulseafterattenuationis1.665and4.201,respectively.Inconclu sion, theMPPCiscapableofphotonresolvingandsuitfortheultralowlightdetectioninalargedyna mic range. Keywords:photoncounter;multi—pixel;photonresolving;energyresolution;Poissondistribution 1引言 高光子探测效率,高量子效率的光子计数器 是弱光探测领域研究的热点,近年来,工作在盖革 计数模式下的雪崩二极管探测器(Geiger-mode AvalanchDiode,GAPD)以其独特的光子计数原 理得到了广泛应用.相比传统的光子计数设备 (如PMT,MCP等),GAPD具有体积小,成本低, 可靠性高,环境适应性强等特点,是目前光子计数 设备的主流.不过GAPD的光子计数动态范围 小,限制了GAPD应用范围的推广.针对这一问 题,俄罗斯研发部门提出了使用多GAPD并联完 成光子计数的思路r】],此后,世界上许多研发部门 相继开展了多GAPD的光子计数器研究.目前 研制生产多像素光子计数设备的公司主要有爱尔 兰的SensL公司,日本滨松公司,加拿大Zecotek 公司及法国photonique公司等. 日本滨松公司于2007年推出了多像素光子 计数器(Multi-pixelPhotonCounter,MPPC),其 一 经推出就受到广泛关注,各种应用报道层出不 穷.E.Pomarico等人r2使用MPPC在室温条件 下探测近红外光信号,利用980nm与1559nm 激光经过频率上转换,得到了600nm的光信号, 对1559nm近红外光信号探测能量分辨率达到 了3.2×10J;Zhang.G.Q等人[3使用MP— PC探测器,实现了对拉曼信号的探测;Y.Mizu— mura等人则使用MPPC探测器作为成像大气切 伦科夫望远镜的探测单元,实现了对大气中高能 ,低噪声,低 射线信号的探测[4].MPPC的高增益 偏置电压,高探测概率,低功率消耗,高可靠性等 优点,使其在远距离激光测距技术,激光雷达技 术,超快光谱学,量子光学,原子物理学等现代科 研领域均有潜在应用价值L5]. 本文利用MPPC器件测试了MPPC输出信 号特性,根据测量结果,反演出了激光器输出脉冲 的光子数分布特性. 2原理与实验 2.1MPPC工作原理 MPPC是一种新型的光子计数设备,由一系 列集成在1mm基底的APD像素构成,如图1, 图2所示,每个APD工作在盖革模式下,每个 APD的输出并联到输出电路上,如图3所示.当 光子入射到工作在盖革模式下的APD时,按一 定几率产生一个光电子,该电子将在耗尽区产生 诱导雪崩效应,产生一个恒定的电脉冲输出,这时 图1MPPC模块实物图 Fig.1PhotoofMPPCmodule 图2MPPC探测器表面结构 Fig.2SurfacestructureofMPPC 光学精密工程第19卷 称这个像素处在"点燃"状态.雪崩后,APD处在 猝灭状态下,其他人射光子将不能再引起雪崩效 应.因此,每个像素点只能提供光子的"有","无" 信息.由于输出端口并联,每个像素输出的电脉 冲叠加成为一个巨脉冲,通过测量巨脉冲的电量 或者幅值,可以计算出被"点燃"像素的个数,反演 出入射光子的分布特性. 图3MPPC等效电路示意图 Fig.3SchemeofMPPCequivalentcircuit 2.2实验装置 实验装置图如图4所示,激光器发射激光脉 冲经过可调谐衰减器和固定衰减器入射到MP— PC,MPPC输出信号与示波器相连,SiPIN探测 器的作用是为示波器提供触发信号.为了减少背 景噪声,在MPPC入口处安装一块带宽 (FwHM)为10nm的窄带滤光片,滤除大部分背 景噪声.使用Peltier制冷器为MPPC探测器制 冷,以降低MPPC的暗噪声_6.],实验中将MPPC 的工作温度设定在15?,对应的暗噪声为141.3 kHz(设定阈值为0.5等效光子). 图4MPPC光子探测实验装置实验图 Fig.4ExperimentalsetupofphotondetectionwithMPPC 实验中使用的激光器为国科激光公司的 Valiant4m-100型激光器,其输出波长为532nm, 重频为100Hz,单脉冲能量为3mJ,脉宽为4.64 ns;MPPC为日本滨松公司生产的C10507—11— 025U,像素个数为1600元,光敏面积为1mm, 填充因子为30.8,532nm处的光子探测效率 为19[5;示波器为安捷伦公司研制的MSO 7104B型示波器,其探测带宽为1GHz,采样率为 4GHz;siPIN探测带宽为1GHz,上升沿为170 PS. 3结果与讨论 3.1输出波形 激光器以100Hz的重频发射激光脉冲,其输 出特性如图5所示;调节固定衰减片的数量及可 调谐衰减器的衰减,将光脉冲衰减到光子量级后, 入射到MPPC上.SiPIN探测激光脉冲的散射 光,提供示波器的触发信号.探测到的示波器波 形如图6所示.利用触发信号,在每个信号光脉 冲周期内,暗计数为6.5×10count/pulse. (a)激光脉冲序列 (a)Laserpulsesequence (b)单脉冲波形 (b)Singpulsewaveform 图5激光器输出脉冲波形图 Fig.5Outputwaveformsoflaserpulse 第5期赵帅,等:多像素光子计数器在单光子探测中的应用975 O8162432ns t/ns 图6示波器显示的MPPC输出波形图 Fig.6OutputwaveformsofMPPCfromoscilloscope 由于每个雪崩的像素输出的电信号近似相 同,MPPC的输出波形经过重叠后,分别代表着 1,2,3个等像素同时发生雪崩.每条迹线之间的 间隔约为100mV,说明MPPC每个像素的增益 均匀性比较一致. 3.2能量分辨率 MPPC属于多像素结构,每个像素接收到光 子而产生雪崩的概率可以用光子探测效率(PDE) 表示,雪崩的像素个数与入射光子数的关系?5可 表示为: NFired_Nt.[1--exp()], 式中,N.为发生雪崩的像素个数,N.为MPPC 总像素个数,PDE为光子探测效率,N.为入射 光子数.在N《』\,.的条件下,对式(1)求微 分,可求出MPPC的能量分辨率.实验使用的激 光器为532nm激光,其单光子能量为3.73× 1O.J,能量分辨率为1.96×10J.相对于普 通光子计数器只能探测光子事件有无的情况, MPPC更加适合高灵敏度,大动态范围的探测环 境. 3.3光子统计 相干光被衰减到光子量级时,光子分布特性 将遵循高斯分布_8_9l: P(z一是)一e忌一.,1,2,…(2) 式中P(z—k)为愚个光子出现的概率,为平均 光子数.经过MPPC后产生的光电子噪声主要 由两项构成,一部分是由于MPPC探测器积分时 间内光强分布特性造成的"光子集束噪声",另一 部分则是由MPPC探测过程中的量子效应引起 的,这部分噪声称为散弹噪声. 实验中,调整动态衰减器的衰减倍率,如图7 所示,分别采集3200个波形与1693个波形作为 方 光子分布的统计样本,经过直方图分析,每个直图代表着相同输出电压信号出现的相对概率,并 利用泊松分布拟合..,得出两个衰减倍率下平均 光子数分别为: <r?P的n,(3)一1.665 』:一4?2oPh..n.(4)【口;一4.201 可以看出激光脉冲衰减到光子量级后,光分 布特性遵从泊松分布,可通过光子计数信号特征 反演出信号关系.图7分析结果表明,达到MP— PC表面的平均光信号能量分别为3.26×10.J 与8.23×10J.当光强很微弱时,通常"光子集 束噪声"很小,可忽略不计,因此,MPPC探测器 探测到的噪声主要为散弹噪声,通过对MPPC输 出波形的统计分析,即可得到入射光子的散弹噪 声的噪声特性. O 0 Photonequivalant (a)^1—1.665 Photonequivalant (b)^2—4.2O1 图7探测信号统计直方图 Fig.7Histogramsofdetectedsignals V208642O 1lOOOO fl A3Ilnb占3Z鼍重0Z^.II龆IIlJ0Z 976光学精密工程第19卷 4结论 本文以MPPC作为光子计数设备,对其性能 进行实验研究.研究发现MPPC具有优秀的光 子分辨能力,通过触发电路的设置,可将每个信号 光周期内的暗计数噪声降低到6.5×10 参考文献: Eli [2] [3] [4] [5] DOLG0SHEINB,BALAGURAV,BUZHANP, eta1..Statusreportonsiliconphotomultiplierde— velopmentanditsapplicationsEJ].Nuc1.Instr. andMeth.A,2006,563:368-376. P0MARICOE,SANGUINETTIBB,THEWR, eta1..Roomtemperaturephotonnumberresolving detectorforinfaredwavelengthsEJ].Opt.一 press,2010,18:10750—10759. ZHANGGQ,HUXB,YANGR,?Z..Fasti— dentificationoftracesubstancebysingle—'photonde—_ tectionofcharacteristicRamanscatteringswithga— tedcoincidencetechniqueandmultipixelphoton countersFJ].App.Opt.,2010,49:2601—2605. MIZUMURAY,K0DANIK,KUSHIDAJ,口Z.. StudyofthebasiccharacteristicsofPPD(SiPM)for thenextgenerationofIACEc].Proceedingsofthe 31stIcrc,0DZ,2009:1-4. HIT0MIK.SATOBE,N0MIYACS,dZ..E一 作者简介: ),男,博士研究生,2000 赵帅(1981一 年,2004年于南开大学分别获得学士, 硕士学位,主要从事光电探测及光电对 抗方面的研究.E-mail:zs040148@ya— hoo.com.cn 郭劲(1964一),男,研究员,博士生导 师,1986年于吉林工学院获得学士学 位,2008年于中科院长春光学精密机 械与物理研究所获得博士学位,主要从 事光电对抗与光电跟踪方面的研究. E-mail:guojin@ciomp.ac.cn count/s.实验测得MPPC的光信号能量分辨率 达到1.96×10.J,入射到MPPC表面的平均光 能量分别为3.26×10.J与8.23×10.J.从 实验得出数据可以看出,MPPC是一种性能优良 的光子计数器件,随着研究的深入,MPPC将会 在弱光探测领域发挥更大的作用. valuationofthemulti—.pixelphotoncounterswithin—— organicscintillators[J].SPIE,2009,6706,C1一 C8. [6]FULCONISJ,ALIBARTO,O'BRIENJ,eta1.. Nonclassicalinterferenceandentanglementgenera— tionusingaphotoniccrystalfiberpairphotonsource EJ].Phys.Rev.Lett.2007,99:120501(1-4). [7]HAMAMATSU.C10507—11SeriesDatasheet[E/OL]. httptf{.hamarnatsu.com. [8]ZHANGJ,THEwR,BARREIROR,eta1..Practi— calfastgaterateingaas/inpsingle-photonavalanche photodiodesI-j].App1.Phys.Lett.2009,95:091103 (1—3). 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