随着科学技术的飞速发展，我们逐渐揭开了光子的神秘面纱。由于光子的弱特性，直接观察和探测是一个巨大的挑战。因此，开发能够探测单个光子的探测器已成为科学家追求的重要目标。市场上有多种单光子探测器，如光电倍增管、光子计数探头、MPPC、SPAD等。它们各有千秋，但说到单光子探测的顶尖高手，那就是非光电倍增管。那这些单光子探测器是如何工作的呢？接下来，让我们一一揭开他们的神秘面纱！01 光电倍增管光电倍增管的工作原理如下图所示：当单个光子到达阴极时，由于光电效应会产生光电子，光电子在聚焦电场的作用下进入倍增级，实现电信号的连续放大，最后通过阳极输出，实现单光子信号的检测。图1 端窗光电倍增管结构02 除光电倍增管裸管外，光子计数探头还具有单光子探测的光电倍增管模块，又称光子计数探头。光子计数探头在单光子探测光电倍增管的基础上增加了以下信号处理电路，可将单光子输出信号转换为TTL 通过计数TTL信号，可以获得信号输出的光子数量，便于实际测试。图2 光子信号处理电路03 多像素光子计数器（MPPC）除了上述真空电子管类型的光子计数探测器外，半导体设备也可以进行光子计数，常见的是多像素光子计数器，滨松也被称为MPPC，硅光电倍增管。其中，MPPC是一种由多个工作在盖革模式下的APD组成的光子计数器件，其中APD(雪崩光电二极管)是一种高速、高灵敏度的光电二极管。当加入一定的反向偏压时，可以放大光电流。当APD的反向偏压高于击穿电压时，内部电场将变强，光电流将获得105～这种工作模式被称为APD的“盖革模式”。在盖革模式下，光生载流子会通过倍增产生大的光脉冲，单光子可以通过检测脉冲来检测，实现单光子检测！图3 MPPC输出示意图04 单光子雪崩光电二极管（SPAD）除MPPC外，半导体探测器中的单光子雪崩光电二极管也可以进行单光子探测，我们称之为SPAD。SPAD可以理解为一个由单个MPPC像素形成的探测器。它只有一个像素点，即只有一个APD可以在盖革模式下工作，因此它不能反映光强度的变化，只能反映光的存在。由于MPPC是多个像素阵列，我们可以根据输出信号的范围来判断光信号的强度。但是SPAD也可以检测单光子。05 通过以上介绍，我们可以看到单光子探测器的优点。目前，单光子探测器主要分为真空电子管和半导体探测器。它们都可以实现单光子探测。光电倍增管的优点是什么？光敏面积光敏面积是单光子探测的关键点。相对而言，面积越大，能探测到的光子数就越多，前端的光路也会相对简单，不需要复杂的聚焦系统。由于光电倍增管是真空电子管，我们可以通过控制阴极面积来确定探测器的光敏区域。目前，滨松最大光电倍增管阴极面直径可达20英寸，光子计数探头模块阴极面积最大直径可达25mm，可满足不同光斑大小的探测要求。但对于MPPC来说，由于面积大小与其性能直接相关，如暗计数率与光敏面积成正比，面积的增加会导致暗计数率的增加。由于半导体固有的热噪声较大，暗计数会随着面积的增加而进一步导致波形堆叠，难以分析单光子信号。此外，面积越大，寄生电容越大，影响MPPC的响应速度。暗计数暗计数是指当探测器没有光子进入时，探测器本身的信号输出。其中，光电倍增管是真空电子管设备。噪声的主要来源是阴极热电子发射。暗计数的值约为100级。常见的光子计数探测器H10682-110，典型的暗计数为50 cps，最大值在100 cps。MPPC和SPAD是半导体探测器。光子不仅能产生载流子，还能产生载流子。热电子产生的载流子也具有单光子水平的信号电平，暗计数的水平明显高于光电倍增管的暗计数，暗计数的值约为数千。普通MPPC光子计数模块C136-1350GD，典型暗计数为2.5 kcps，最大值在7 kcps。无论是真空电子管还是半导体探测器，弱光信噪比都可以实现单光子探测，但由于噪声的存在，输入相同的信号会导致不同的信噪比。相对而言，信噪比越大，说明噪声相对较小，能有效反映信号。通过比较滨松常见的光子计数探头和半导体光子探测器型号在同一光强环境下的信噪比，可以看出光电倍增管在弱光环境下具有良好的信噪比。图4 弱光信噪比对比不同类型探测器(光子计数探头)&MPPC&SPAD）通过以上比较，我们可以看到光电倍增管在单光子检测中具有面积大、噪声小、信噪比高的特点。因此，在弱光检测环境中，我们仍然建议使用光电倍增管！以上是本期的解释。如有其他问题，请在评论区留言或直接联系相关工程师获得技术支持。相关阅读，您想要的光电倍增管在这里完全分析~如果您想了解光电倍增管的原理和应用，本报告就足够了。（PMT）光电倍增管模块的选择和使用：光敏度&辐射灵敏度的“差异”在哪里？不是定义了光电倍增管的动态范围吗？而是？光电倍增管（PMT）分压器的设计原理