光電倍增管才是單光子探測的yyds

  ICC訊 隨著科技的突飛猛進，我們逐漸揭開了光子的神秘面紗。由于光子的微弱特性，直接觀測和探測它是一項巨大的挑戰。因此，研發出能夠探測單個光子的探測器成為了科學家們追求的重要目標。

  市面上已經有多種單光子探測器，比如光電倍增管、光子計數探頭、MPPC和SPAD等。它們各有千秋，但要說到單光子探測的頂尖高手，那非光電倍增管莫屬。那么，這些單光子探測器是如何工作的呢?接下來，讓我們一一揭開它們的神秘面紗!

  光電倍增管的工作原理如下圖所示：當單個光子到達陰極面的時候，由于光電效應會產生光電子，產生的光電子在聚焦電場的作用下進入倍增級實現連續的倍增，從而實現電信號的連續放大，最后通過陽極輸出，這個過程就實現了單光子信號的探測。

  除了光電倍增管裸管，也有光電倍增管模塊能做到單光子探測，也被稱之為光子計數探頭。光子計數探頭是在能夠做單光子探測的光電倍增管的基礎上增加了如下的信號處理電路，可以將單光子的輸出信號轉換為TTL 信號輸出，通過對TTL信號進行計數，就可以得到光子數量，方便實際測試。

多像素光子計數器(MPPC)

  除了上面的真空電子管類型的光子計數探測器之外，目前半導體器件也能夠進行光子計數，常見的就是多像素光子計數器，濱松也稱之為MPPC，硅光電倍增管。其中，MPPC是一種由多個工作在蓋革模式的APD組成的光子計數型器件，其中APD(雪崩光電二極管)是一種具有高速度、高靈敏度的光電二極管，當加有一定的反向偏壓后，它就能夠對光電流進行雪崩放大。而當APD的反向偏壓高于擊穿電壓時，內部電場就會變強，光電流則會獲得105～106的增益，這種工作模式就叫APD的“蓋革模式”。在蓋革模式下，光生載流子通過倍增就會產生一個大的光脈沖，而通過對這個脈沖的檢測，就可以檢測到單光子，實現單光子探測!

單光子雪崩光電二極管(SPAD)

      除了MPPC之外，半導體探測器中單光子雪崩光電二極管也能進行單光子探測，我們稱之為SPAD。SPAD可以理解為它是由單個MPPC像素形成的探測器，它只有一個像素點，也就是只有一個能工作在蓋革模式下的APD，所以它無法反映光強度的變化，只能是對光的有無做出反應。而MPPC由于是多個像素的陣列，我們可以根據輸出信號的幅度來判斷光信號的強度。但是SPAD也能做到單光子的探測。

  通過以上介紹我們可以看到，目前單光子探測器主要分為真空電子管和半導體探測器兩個類型，他們都能實現單光子的探測，那么光電倍增管的優勢在哪呢?

  光敏面積

  光敏面積是單光子探測中比較關鍵的一點。相對來說，面積越大，能夠探測到的光子數也就越多，同時前端的光路也會相對比較簡單，不需要復雜的聚焦系統。由于光電倍增管是真空電子管，我們是可以通過控制陰極面積的大小來決定探測器的光敏區域。目前濱松最大的光電倍增管陰極面直徑能做到20英寸，光子計數探頭模塊陰極面積最大的直徑在25毫米，能夠滿足不同光斑大小的探測需求。但是對于MPPC來講，由于面積大小與其性能有直接聯系，比如，暗計數率同光敏面積成正比，面積的增加會導致暗計數率的增加。由于半導體的固有熱噪聲較大，暗計數會隨著面積的增加進一步導致波形堆疊，難以對單光子信號進行分析。此外，面積越大，寄生電容越大，影響MPPC的響應速度。

  暗計數

  暗計數是指探測器在沒有光子進入的時候，探測器本身的信號輸出。其中光電倍增管是真空電子管器件，噪聲的主要來源是陰極面的熱電子發射，暗計數的值大概在百個級別，常見的光子計數探測器H10682-110，典型的暗計數在50 cps，最大值在100 cps。而MPPC和SPAD是半導體探測器，不僅光子可以產生載流子，熱電子也會產生載流子，熱電子生成的載流子也具有單光子水平的信號電平，并且暗計數的水平明顯高于光電倍增管的暗計數，暗計數的值大概上千，常見的MPPC光子計數模塊C13366-1350GD，典型的暗計數在2.5 kcps，最大值在7 kcps。

  弱光信噪比

  不管是真空電子管還是半導體探測器，他們都能實現單光子探測，但是由于噪聲的存在，相同信號的輸入，會導致不同的信噪比。相對來說，信噪比越大，說明其中的噪聲比較小，能夠有效地反映信號的情況。通過對比目前濱松常見的光子計數探頭和半導體光子探測器型號在同樣光強環境下的信噪比，可以看到，在弱光環境中，光電倍增管具有一個很好的信噪比。

圖4 不同類型探測器弱光信噪比對比(光子計數探頭&MPPC&SPAD)

  通過以上對比我們可以看到，光電倍增管在單光子探測中，具有面積大、噪聲小、信噪比高的特點，所以在弱光探測環境中，我們還是推薦使用光電倍增管!