隨著激光照明、高靈敏單光子探測(cè)、高精度計(jì)時(shí)以及高速數(shù)據(jù)處理等前沿技術(shù)的發(fā)展,具備高靈敏度和高時(shí)間分辨特性的單光子計(jì)數(shù)三維成像技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。它作為一種新型主動(dòng)成像技術(shù),在生物光子成像、微弱目標(biāo)探測(cè)、遠(yuǎn)程遙感測(cè)繪等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值,已成為近年來的研究熱點(diǎn)。采用單光子計(jì)數(shù)體制后,在提高探測(cè)靈敏度的同時(shí),源于光粒子性的散粒噪聲、環(huán)境背景噪聲以及探測(cè)器暗計(jì)數(shù)等噪聲的影響變得顯著不可忽略。通常為抑制單光子探測(cè)過程中噪聲光子的干擾實(shí)現(xiàn)信號(hào)有效提取,需要在每個(gè)像素上累積成百上千個(gè)光子,通過光子到達(dá)時(shí)刻分布直方圖才能獲得精確的圖像估計(jì)。然而,在弱光照明條件下或者對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測(cè)成像時(shí),可用的回波能量以及積分時(shí)間無(wú)法滿足這種大量光子直方圖的累積。因此,單光子計(jì)數(shù)三維成像技術(shù)當(dāng)前所面臨的主要挑戰(zhàn)就是,如何提高回波光子信息利用效率,通過少量回波光子來準(zhǔn)確重建目標(biāo)三維圖像。本論文正是針對(duì)這一挑戰(zhàn),開展了少量回波光子條件下單光子計(jì)數(shù)雷達(dá)三維成像理論與實(shí)驗(yàn)研究,主要研究?jī)?nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)如下:1、設(shè)計(jì)并搭建了單站式和雙站式兩種不同光路模式的時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（Time-correlated single photo... 

【文章來源】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所)陜西省

【文章頁(yè)數(shù)】：142 頁(yè)

【學(xué)位級(jí)別】：博士

【部分圖文】：

PN結(jié)光電二極管光子探測(cè)概念圖[11]

集速率將贏取競(jìng)爭(zhēng)，導(dǎo)致電子和空穴群體的減少。這就是APD的普通工作模式，利用由碰撞電離提供的內(nèi)部增益測(cè)量光信號(hào)強(qiáng)度。每個(gè)吸收光子一般會(huì)平均產(chǎn)生有限的M對(duì)電子-空穴。M被稱為內(nèi)部增益因子，其大小通常在幾十或幾百量級(jí)，達(dá)不到探測(cè)單光子的水平。這種情況下，因?yàn)楫a(chǎn)生的平均光電流嚴(yán)格地正比于入射光通量，所以被稱為線性工作模式。線性工作模式的缺點(diǎn)為存在無(wú)法避免的增益噪聲[11]。當(dāng)反向偏置電壓（也稱之為過偏置電壓[12]）大于擊穿電壓時(shí)，電子和空穴的產(chǎn)生速率由于更加快速的碰撞電離將大于其被收集的速率，如圖1.2所示為蓋革工作模式的概念圖。高場(chǎng)區(qū)域的電子和空穴個(gè)數(shù)以及相對(duì)應(yīng)的光電流呈指數(shù)增長(zhǎng)，過偏置電壓越大，電流增長(zhǎng)速度越快。如果二極管上有串聯(lián)電阻存在，隨著電流的增大，電阻上的電壓也逐漸增加，從而拉低高場(chǎng)區(qū)域的電壓，減慢雪崩電流的增長(zhǎng)速度，最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)條件，高場(chǎng)區(qū)域兩端的電壓降低到擊穿電壓，電子空穴的產(chǎn)生和收集速率達(dá)到平衡。此時(shí)由于串聯(lián)電阻的負(fù)反饋效應(yīng)，使得電流既不增長(zhǎng)也不衰減，趨于穩(wěn)定。如果穩(wěn)態(tài)電流大小足夠（約幾十微安），它會(huì)持續(xù)流動(dòng)。因此，一個(gè)光子的吸收即可引起一個(gè)自持性雪崩，從而產(chǎn)生一個(gè)宏觀可測(cè)的電流脈沖，并且該電流的導(dǎo)通瞬態(tài)很快，通常為數(shù)十皮秒，且該探測(cè)過程不存在增益噪聲，因?yàn)樗峭耆珨?shù)字性的。近年來，半導(dǎo)體光子計(jì)數(shù)探測(cè)器快速發(fā)展。為適應(yīng)不同的應(yīng)用需求，基于多種半導(dǎo)體材料及其化合物的光子計(jì)數(shù)器被設(shè)計(jì)和開發(fā)。隨著材料生長(zhǎng)、裝備制造圖1.2雪崩效應(yīng)概念圖[11]Figure1.2Conceptofavalanchebreakdownvoltage

第1章引言5與電子電路技術(shù)的日益成熟，高性能、大規(guī)模的InGaAs/InPGMAPD焦平陣列也已經(jīng)被成功設(shè)計(jì)及生產(chǎn)，由PrincetonLightwave公司生產(chǎn)的32×32和128×32的陣列單光子探測(cè)器已經(jīng)商業(yè)化[13]。光電倍增管（Photomultiplier,PMT）是在20世紀(jì)初誕生的單光子探測(cè)器[15]。光電倍增管的基本結(jié)構(gòu)和工作原理如圖1.3所示，主要由一個(gè)高真空玻璃封裝管、光陰極、若干個(gè)帶正電的打拿極和一個(gè)陽(yáng)極構(gòu)成。打拿極相對(duì)于陰極保持逐漸升高的電壓，相鄰打拿極之間的典型壓差為100V。其工作原理為，由于外光電效應(yīng)，光子入射至光電陰極表面后，釋放出光電子。光電子在聚焦電極的影響下加速向第一個(gè)打拿極移動(dòng)，與第一個(gè)打拿極碰撞之后釋放出多個(gè)二次電子，所產(chǎn)生的二次電子在加速電場(chǎng)的作用下再次沖擊具有更高電勢(shì)的第二個(gè)打拿極，然后釋放出更多的二次電子。因此，越來越多的電子與隨后的打拿極碰撞，完成了電子的倍增，倍增指數(shù)通常在104至107之間。最終，倍增的電子被陽(yáng)極所吸收，并產(chǎn)生尖銳的脈沖電流。PMT的工作模式也分為線性模式和光子計(jì)數(shù)模式，當(dāng)入射光較強(qiáng)時(shí)，所產(chǎn)生電流脈沖時(shí)間間隔將小于電流脈沖寬度，因而實(shí)際輸出的電流脈沖為相鄰電流脈沖疊加的結(jié)果，此時(shí)電流信號(hào)大小與入射光強(qiáng)呈正比關(guān)系；當(dāng)入射光較弱時(shí)，光電倍增管輸出離散的脈沖序列，每個(gè)脈沖代表探測(cè)到了一個(gè)光子，此時(shí)PMT工作于光子計(jì)數(shù)模式[16]。PMT具有光敏面積大和死時(shí)間極短等優(yōu)點(diǎn)，但是由于采用多個(gè)打拿極，導(dǎo)致電子渡越時(shí)間彌散，時(shí)間抖動(dòng)接近納秒量級(jí)。同時(shí)，由于其低強(qiáng)度、需要真空和高電壓，以及在近紅外譜段的低靈敏性等缺點(diǎn)導(dǎo)致部分應(yīng)用受到限制。圖1.3光電倍增管原理圖[14]Figure1.3Schematicdiagramofaphotomultipliertube

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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碩士論文
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本文編號(hào)：3385634