CN112433137A - 硅光电倍增管的PDE和Pct空间二维分布的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的硅光电倍增管的PDE和Pct空间二维分布的测量方法，包括将硅光电倍增管放在电磁屏蔽盒内，装在纳米位移台上；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；控制纳米位移台移动，每个位置通过不同光子等效阈值下的总脉冲计数率和本底计数率计算一组PDE和Pct，最终通过多组PDE和Pct数据绘制空间二维分布图。本发明无需低温制冷，室温下即可获得硅光电倍增管的相对光探测效率和光学串话概率空间二维分布信息。
Description
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的PDE和Pct空间二维分布的测量方法。
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(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。高性能的SiPM是以上应用的基础。研发高光子探测效率(PD E)、低的光学串话概率(Pct)、低暗计数率(DCR)和后脉冲概率的SiPM成为研发者的目标。目前关于通过优化SiPM参数来提高SiPM性能的工作已经有很多，如通过增加量子效率(QE)(Claudio Piemonte,Alberto Gola,Overview on the mainparameters and technology of modern Silicon Photo multipliers,Nucl.Instr.andMeth.A,926,(2019):2-15)、几何填充因子(G FF)(Alberto Gola,Fabio Acerbi,MassimoCapasso,NUV-Sensitive Sili con Photomultiplier Technologies Developed atFondazione Bruno Kessler,S ensors,19,(2019):308)、雪崩击穿触发概率(FabioAcerbi,Alessandro Fe rri,Gaetano Zappala,NUV Silicon Photomultipliers withHigh Detection Ef ficiency and Reduced Delayed Correlated-Noise,IEEETransactions on Nuc lear Science,62(3),(2015):1318-1325，)等来提高SiPM的总的光子探测效率。在减小光学串话概率方面，人们通过在SiPM的盖革雪崩光电二极管(G-APD)单元间制作填充有反射/吸收材料的光学隔离槽，来阻碍光子临近单元间的串话(Ghioni,M.,Cova,S.,Lacaita,A.,Ripamonti,G.,New silicon epit axial avalanche diode forsingle-photon timing at room temperature,Electro nics Letters,24(24),(1988):1476)，或者通过在光敏区下部中性区域做掩埋结来阻止光生载流子的扩散(P.Buzhan etal.The cross-talk problem in SiP Ms and their use as light sensors forimaging atmospheric Cherenkov teles copes,Nuclear Instruments and Methods inPhysics Research A 610,(2009)131–134)，或通过减小中性区的厚度、使用少子寿命短(扩散长度小)材料作为基底材料(Ghioni,M.,Cova,S.,Lacaita,A.,Ripamonti,G.,Newsilicon epitaxial avalanche diode for single-photon timing at roomtemperature,El ectronics Letters,24(24),(1988):1476)。但是，关于SiPM的相关参量的空间二维微观分布对总的PDE和串话概率的影响并没有报道。实际上，获得PD E和Pct等参量的二维空间分布信息对SiPM的性能优化非常重要。Jelena Ninkovic等人报道了通过使用高分辨的红外CCD相机进行红外光子发射成像直接拍摄SiPM高场区的近红外光子发射强度二维图，但是，这种红外C CD是非常昂贵的，而且需要低温制冷来响应红外光子。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅光电倍增管的PDE和Pct空间二维分布的测量方法，可以进行室温下的测量。
本发明所采用的技术方案是：硅光电倍增管的PDE和Pct空间二维分布的测量方法，该测量方法基于的装置包括放置硅光电倍增管的纳米位移台，纳米位移台依次电连接有位移台驱动器和计算机，纳米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，装在纳米位移台上；
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获取总脉冲计数率和本底计数率；
步骤5、用计算机中的LABVIEW程序控制位移台驱动器使纳米位移台移动，每个位置通过不同光子等效阈值下的总脉冲计数率和本底计数率计算一组PDE和Pct，最终通过多组PDE和Pct数据绘制空间二维分布图。
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1-100兆赫兹。
步骤5中每个位置的硅光电倍增管相对光子探测效率PDE和光学串话概率Pct数据由分别由式(1)和式(2)得出：
PDErel(X,Y)＝R0.5p.e.(X,Y)-B0.5p.e. (1)
式(1)和式(2)中，PDErel(X,Y)是等效光子数阈值在0.5p.e.时纳米位移台2移动到硅光电倍增管的位置(X,Y)的相对PDE；Pct(X,Y)是等效光子数阈值在1.5p.e.时纳米位移台2移动到硅光电倍增管的位置(X,Y)的Pct；R1.5p.e.(X,Y)和R0.5 p.e.(X,Y)是分别设置数字示波器的等效光子数阈值在1.5p.e.和0.5p.e.条件下得出的总脉冲计数率；B1.5 p.e.(X,Y)和B0.5 p.e.(X,Y)是分别设置数字示波器的等效光子数阈值在1.5p.e.和0.5p.e.条件下得出的本底计数率，本底计数率需要多组PDE和Pct数据测量完成后读取不同位置的最低值得出。
本发明的有益效果是：
(1)可以获得硅光电倍增管中GAPD单元内部以及GAPD单元之间区域的PDE的空间分布信息；
(2)可以获得硅光电倍增管中GAPD单元内部以及GAPD单元之间区域的Pct的空间分布信息；
(3)可以间接获得硅光电倍增管GAPD单元内部以及GAPD单元之间区域的耗尽区电场分布信息；
(4)无需低温制冷，室温下即可获得硅光电倍增管的相对光探测效率和光学串话概率空间二维分布信息；
(5)通过本发明所获得的信息可以为优化硅光电倍增管的参数性能提供指导。
附图说明
图1是本发明的硅光电倍增管的PDE和Pct空间二维分布的测量方法基于的装置结构示意图；
图2a)是本发明测量方法测量的单元尺寸为100微米(型号S12571-100C)硅光电倍增管的相对光子探测效率空间二维分布图；
图2b)是本发明测量方法测量的单元尺寸为100微米(型号S12571-100C)硅光电倍增管的光学串话概率空间二维分布图；
图2c)是本发明测量方法测量的单元尺寸为25微米(型号S12571-025C)硅光电倍增管的相对光子探测效率空间二维分布图；
图2d)是本发明测量方法测量的单元尺寸为25微米(型号S12571-025C)硅光电倍增管的光学串话概率空间二维分布图；
图2e)是本发明测量方法测量的单元尺寸为10微米(型号S12571-010C)硅光电倍增管的相对光子探测效率空间二维分布图；
图2f)是本发明测量方法测量的单元尺寸为10微米(型号S12571-010C)硅光电倍增管的光学串话概率空间二维分布图。
图中，1.稳压电源，2.纳米位移台，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，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的PDE和Pct空间二维分布的测量方法，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的纳米位移台2，纳米位移台2依次电连接有位移台驱动器6和计算机5，纳米位移台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放在一个电磁屏蔽盒内，装在压电陶瓷(PZT)纳米位移台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S12571-100C、S12571-025C或S12571-010C，单元尺寸分别为100×100um2、25×25um2、10×10um2；Hamamatsu Photonics K.K.,(日本产)；压电陶瓷(PZT)纳米位移台2为nanoXYZ(空载分辨率1nm；位移范围，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0.5～1.5微米的光斑；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1-100兆赫兹的激光器，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器件的光子计数率不会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，高的净计数率反应了硅光电倍增管10的某个单元内某个点的高的探测效率。
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；
步骤5、用计算机5中的LABVIEW程序控制位移台驱动器6使纳米位移台2移动，分别设置数字示波器4的等效光子数阈值在0.5p.e.和1.5p.e.，从数字示波器4上读出总脉冲计数率R0.5 p.e.(X,Y)和R1.5 p.e.(X,Y)，每个位置(X,Y)计算一组PDE和Pct，最终通过多组数据绘制硅光电倍增管(10)的相对光子探测效率和光学串话概率的空间二维分布图，具体算法为：
PDErel(X,Y)＝R0.5p.e.(X,Y)-B0.5p.e. (1)
PDErel(X,Y)是等效光子数阈值在0.5p.e.时纳米位移台2移动到硅光电倍增管10的位置(X,Y)的相对PDE；Pct(X,Y)是等效光子数阈值在1.5p.e.时纳米位移台2移动到硅光电倍增管10的位置(X,Y)的Pct。
其中R1.5 p.e.(X,Y)和R0.5 p.e.(X,Y)是分别设置数字示波器4的等效光子数阈值在1.5p.e.和0.5p.e.条件下通过雪崩脉冲波形得出的总脉冲计数率，B1.5 p.e.(X,Y)和B0.5 p.e.(X,Y)是分别设置数字示波器4的等效光子数阈值在1.5p.e.和0.5p.e.条件下通过雪崩脉冲波形得出的本底计数率，本底计数率需要在二维分布图数据测量完成后读取不同位置的最低值得出。
计算机5内嵌Mathematica软件，最终通过Mathematica软件画图得到硅光电倍增管10的光学串话概率(Pct)和相对光子探测效率(PDE)的空间二维分布图，画图也可用其他软件完成，完成一种硅光电倍增管的相对光探测效率和光学串话概率空间二维分布的测量方法。
本发明硅光电倍增管的相对光子探测效率和光学串话概率空间二维分布的测量方法的原理如下：
皮秒脉冲激光器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的针孔照射到纳米位移台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 figure 4.9dB，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来观察雪崩脉冲波形并获取总脉冲计数率R和本底计数率B，硅光电倍增管10的相对光子探测效率(PDE)和光学串话概率(Pct)的空间二维分布图由以下算法得出：
PDErel(X,Y)＝R0.5p.e.(X,Y)-B0.5p.e. (1)
PDErel(X,Y)是等效光子数阈值在0.5p.e.时纳米位移台2移动到硅光电倍增管10的某个位置(X,Y)的相对PDE；Pct(X,Y)是等效光子数阈值在1.5p.e.时纳米位移台2移动到硅光电倍增管10的某个位置(X,Y)的Pct。
其中R1.5 p.e.(X,Y)和R0.5 p.e.(X,Y)是分别设置数字示波器4的等效光子数阈值在1.5p.e.和0.5p.e.条件下通过雪崩脉冲波形得出的总脉冲计数率，B1.5 p.e.(X,Y)和B0.5 p.e.(X,Y)是分别设置数字示波器4的等效光子数阈值在1.5p.e.和0.5p.e.条件下通过雪崩脉冲波形得出的本底计数率，需要在二维分布图数据测量完成后读取不同位置的最低值得出。
最终通过计算机5画图得到SiPM的光学串话概率(Pct)和相对光子探测效率(PDE)的空间二维分布图。
本发明的有益之处还在于：
(1)将短脉冲激光器(皮秒脉冲激光驱动7和激光头8)、纳米位移台2和显微镜9以及针孔透光片12结合，缩小激光光斑，可以照射到硅光电倍增管10的雪崩光电二极管单元上位置精确地移动。
(2)通过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。使用重复频率为1-100兆赫兹的激光器，这不仅保障了硅光电倍增管10在上一次激发完后能完全恢复，还确保器件的光子计数率不会淹没在暗计数率的抖动中。
(3)本发明基于实验室通用仪器，不需要红外相机等昂贵设备，具有好的经济效益和发展前景。
实施例
如图1所示，本实施例中所采用硅光电倍增管10型号分别为S12571-100C,S12571-025C and S12571-010C,单元尺寸分别为100×100um2,25×25um2and 10×10um2；Hamamatsu Photonics K.K.,(日本产)；压电陶瓷(PZT)纳米位移台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)；
本实施例的工作原理是：
将硅光电倍增管10探测器固定于纳米位移台2上，硅光电倍增管10可跟随纳米位移台2在X,Y两个垂直方向按一定步长移动。稳压电源1用于给硅光电倍增管10加偏压使其工作于盖革雪崩状态，硅光电倍增管10发生盖革雪崩产生的雪崩信号通过高速低噪声放大器3放大后通入高速数字示波器4进行雪崩脉冲波形观察和得出总脉冲计数率与本底计数率。按照一定的步长和行程，沿着X,Y两个垂直方向依次逐点移动纳米位移台2，同时测量并记录每个位置点上数字示波器4显示的不同阈值触发电平下的脉冲信号频率，即可得到脉冲信号频率随位置变化的数据矩阵，通过公式(1)和(2)即可得到硅光电倍增管10的光学串话概率(Pct)和相对光子探测效率(PDE)的空间二维分布图。图2a)到图2f)是不同尺寸的硅光电倍增管10的相对探测效率和光学串话概率空间二维分布图，从图2a)到图2f)中明显看出：第一、APD单元内部的Pct分布是不均匀的，可以明显观察到在每个APD边缘处的Pct高于中心区域，也即边缘部分受到光学串扰的影响比较大，中心区域受到的影响较小，串话光子的穿透距离比较小；第二、单元间的空隙区域有较低的电场；第三、当单元面积减小时，GAPD单元的耗尽区电场更加不均匀。
Claims (5)
1.硅光电倍增管的PDE和Pct空间二维分布的测量方法，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)的纳米位移台(2)，纳米位移台(2)依次电连接有位移台驱动器(6)和计算机(5)，纳米位移台(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，装在纳米位移台(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获取总脉冲计数率和本底计数率；
步骤5、用计算机(5)中的LABVIEW程序控制位移台驱动器(6)使纳米位移台(2)移动，每个位置通过不同光子等效阈值下的总脉冲计数率和本底计数率计算一组PDE和Pct，最终通过多组PDE和Pct数据绘制空间二维分布图。
2.如权利要求1所述的硅光电倍增管的PDE和Pct空间二维分布的测量方法，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的PDE和Pct空间二维分布的测量方法，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的PDE和Pct空间二维分布的测量方法，其特征在于，所述皮秒激光束的重复频率为1-100兆赫兹。
5.如权利要求1所述的硅光电倍增管的PDE和Pct空间二维分布的测量方法，其特征在于，所述步骤5中每个位置的硅光电倍增管(10)相对光子探测效率PDE和光学串话概率Pct数据由分别由式(1)和式(2)得出：
PDErel(X,Y)＝R0.5p.e.(X,Y)-B0.5p.e. (1)
式(1)和式(2)中，PDErel(X,Y)是等效光子数阈值在0.5p.e.时纳米位移台2移动到硅光电倍增管(10)的位置(X,Y)的相对PDE；Pct(X,Y)是等效光子数阈值在1.5p.e.时纳米位移台2移动到硅光电倍增管(10)的位置(X,Y)的Pct；R1.5p.e.(X,Y)和R0.5p.e.(X,Y)是分别设置数字示波器(4)的等效光子数阈值在1.5p.e.和0.5p.e.条件下得出的总脉冲计数率；B1.5p.e.(X,Y)和B0.5p.e.(X,Y)是分别设置数字示波器(4)的等效光子数阈值在1.5p.e.和0.5p.e.条件下得出的本底计数率，本底计数率需要多组PDE和Pct数据测量完成后读取不同位置的最低值得出。
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