Recently, the University of Science and Technology of China, Zhang Jun and other joint Nanjing University, Lu Hai, Zhang Rong team in the direction of the ultraviolet band single-photon LIDAR has made new progress, through the design and preparation of single-photon avalanche photodiode based on 4H-SiC material, the development of active quenching active recovery readout circuit technology, developed a practical value of the ultraviolet semiconductor Detector de fóton único, usando o detector pela primeira vez para realizar o sistema de ozônio de absorção diferencial de fóton único, e realizar o monitoramento da concentração de ozônio na faixa de altitude de 1 ~ 3,5 km.
A tecnologia de detecção de fóton único UV desempenha um papel importante nos cenários de aplicação, como monitoramento atmosférico, detecção de chama de cauda, detecção de arco elétrico e aviso de incêndio. Os tubos fotomultiplicadores são os dispositivos de detector de fóton único tradicional na banda UV, mas têm as desvantagens de baixa sensibilidade, curta vida útil, sensibilidade ao campo magnético etc. e não podem funcionar de forma de forma por um longo período de tempo em ambientes severos (alta temperatura, vibração, radiação forte). Em contraste, o material semicondutor 4H-SIC de banda larga, caracterizado por alta condutividade térmica, alta resistência à radiação, alta taxa de desvio de saturação de elétrons e desempenho estável, tem vantagens significativas de desempenho material no desenvolvimento de novos detectores de semicondutor de semicondutor ultravioleta. No entanto, por um longo tempo, o índice de desempenho de detectores de fótons únicos com base nesse material é ruim, especialmente a eficiência de detecção é muito baixa e a taxa de contagem escura é muito alta, o que torna esse tipo de detector de fóton único não tem valor prático.
Nos últimos anos, uma equipe da Universidade de Ciência e Tecnologia da China (USTC) e da Universidade Nanjing (NU) fez uma série de avanços na pesquisa conjunta sobre os detectores de fótons únicos e semicondutores ultravioletes. A tecnologia de circuito e, pela primeira vez, desenvolveu um protótipo de valor prático de detector de fóton único miniaturizado 4H-SiC, que foi usado como um protótipo pela primeira vez. Protótipo de detector de fóton único com uma eficiência de detecção de 10,3% e uma taxa de contagem escura de 133 kcps na banda de 266 nm [Rev. Sci. Instrum. 94, 033101 (2023)]. Desde então, a equipe de pesquisa utilizou o detector para demonstrar o primeiro experimento de imagem de fóton único de pixel único na banda ultravioleta (UV), alcançando imagens de fóton único com uma resolução de imagem de 192 × 192 pixels e uma taxa de quadros de 4 qps a uma intensidade de luz recebida de cerca de 6 PW.
Fig. 1. (A) estrutura de fotodiodos de avalanche de fóton único 4H-SiC; (b) Tanchamento ativo do circuito de leitura de recuperação ativa
Nesta base, a equipe de pesquisa continuou trabalhando no índice de desempenho de detectores de fóton único 4H-SiC. Por um lado, a eficiência de detecção de fóton único do dispositivo foi aprimorada ao otimizar iterativamente a estrutura e processo de fotodiodos de avalanche de 4H-SiC; Por outro lado, um novo tipo de circuito de leitura de recuperação ativa de extinção ativa foi desenvolvida para o dispositivo fotodiodo de avalanche de 4H-SiC único, que efetivamente suprimiu a probabilidade de pulsação de detector e melhorou significativamente a taxa de contagem de saturação ao mesmo tempo. Após a caracterização, o novo detector possui uma eficiência de detecção de 16,6% na banda de 266 nm, uma taxa de contagem escura de 138kcps, uma probabilidade pós-pulso de 2,7% e uma taxa de contagem de saturação de 13mcps, que atende basicamente aos requisitos de desempenho dos detectores de fóton único para aplicações de lidar de fótone único.
The research team used the detector for the first time in the single-photon differential absorption ozone LIDAR system to carry out related applications, the LIDAR system will be 289nm and 316nm pulsed laser vertical emission into the atmosphere at the same time, due to the ozone molecules of the two wavelengths of the laser absorption coefficient of the two wavelengths of the laser, through the comparison Dos dois sinais de eco a laser, a taxa de atenuação pode ser realizada inversamente a concentração atmosférica de ozônio em diferentes alturas. A fim de comparar os dados, os sinais de eco foram divididos em dois caminhos e detectados e invertidos com o tubo tradicional de fotomultiplieiro e o novo detector de fóton único 4H-SiC, respectivamente, e os resultados experimentais mostraram que as distribuições de concentração de ozônio no intervalo de 1 ~ 3,5km usando os dois detectores foram altamente coincidentes com o intervalo de 1 a 3,5km. O trabalho acima fornece uma solução prática de alto desempenho e altamente ambientalmente tolerante para o lidar de fóton único na banda UV.
Fig. 2. Sistema de ozônio de absorção diferencial de fóton único. (a) Diagrama esquemático; (b) Observação contínua da concentração de ozônio
