Устройство регистрации одиночных фотонов на базе лавинного фотодиода

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО РЕГИСТРАЦИИ ОДИНОЧНЫХ ФОТОНОВ НА БАЗЕ ЛАВИННОГО ФОТОДИОДА(71) Заявитель Белорусский государственный университет(72) Авторы Гулаков Иван Романович Зеневич Андрей Олегович(73) Патентообладатель Белорусский государственный университет(57) Устройство регистрации одиночных фотонов на базе лавинного фотодиода, содержащее лавинный фотодиод, усилитель, первый амплитудный дискриминатор, частотомер,источник питания, причем источник питания подключен к лавинному фотодиоду, соединенному с входом усилителя, а выход усилителя соединен с входом первого амплитудного дискриминатора, выход первого амплитудного дискриминатора подключен к частотомеру,отличающееся тем, что содержит второй амплитудный дискриминатор, два логических элемента И, два счетчика импульсов, сдвиговый регистр, цифроаналоговый преобразователь, линию задержки, генератор импульсов, резистор нагрузки, причем один вывод резистора соединен с корпусом устройства, другой подключен к лавинному фотодиоду и к 12708 1 2009.12.30 входу усилителя, выход усилителя соединен с входом второго амплитудного дискриминатора, первые входы первого и второго логических элементов И соединены с выходами первого и второго амплитудных дискриминаторов соответственно, выходы первого и второго логических элементов И соединены с входами первого и второго счетчиков импульсов соответственно, выход первого счетчика соединен со вторыми входами логических элементов И и входом генератора импульсов, выход второго счетчика импульсов соединен с входом сдвигового регистра, выход генератора импульсов соединен с линией задержки и с управляющим входом сдвигающего регистра, линия задержки соединена с управляющими входами первого и второго счетчиков, выход сдвигающего регистра подсоединен ко входу цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с источником питания. Изобретение относится к измерительной технике, в частности к средствам измерения интенсивности слабого оптического излучения на базе фотоприемников, работающих в режиме счета фотонов. Оно может найти применение в фотометрии, например для измерения мощности оптического излучения слабо светящихся объектов. Известно устройство измерения интенсивности светового потока 1, в котором для регистрации одиночных фотонов используется лавинный фотодиод (ЛФД). Это устройство имеет калибровочный цикл, в течение которого осуществляется проверка величины напряжения питания ЛФД на соответствие его заранее заданному значению, и в случае необходимости - подстройка его до заданной величины. Калибровочный цикл отделен от цикла измерения, поэтому при регистрации непрерывного оптического излучения часть информации может быть потеряна. Однако на практике порой необходимы такие регистраторы оптического излучения, в которых в процессе измерения оптического излучения происходила бы автоматическая стабилизация напряжения питания ЛФД без потери измерительного времени на калибровочный цикл. Наиболее близким к заявляемому техническим решением является счетчик фотонов с использованием работающего в режиме счета фотонов лавинного фотодиода 2, включающий светодиод, лавинный фотодиод, усилитель напряжения, амплитудный дискриминатор, частотомер, источник питания, вольтметр. В указанном устройстве на обратно смещенный лавинный фотодиод при помощи источника питания подается напряжение, превышающее напряжение пробоя ЛФД на величину . Пробой фотодиода не происходит, пока в области сильного электрического поля не появится термо- или фотогенерированный носитель электрического заряда. Тогда в фотодиоде за счет лавинного умножения этого заряда возникает импульс тока. Умножение заряда будет происходить до тех пор, пока напряжение на диоде не понизится до величины, меньшей напряжения пробоя. Чем больше напряжение питания фотодиода по сравнению с его напряжением пробоя, тем больше коэффициент умножения носителей заряда, а значит, и величина электрического тока, протекающего через ЛФД. Если последовательно с ЛФД включен резистор нагрузки, то на нем будет формироваться импульс напряжения. Между током, протекающим через ЛФД во время пробоя, исуществует прямо пропорциональная зависимость, поэтому и средняя амплитуда импульсов, формирующихся на резисторе нагрузки, пропорциональна величине . Число импульсов на выходе ЛФД пропорционально числу фотонов, падающих на его приемную площадку, т.е. фотоприемник работает как счетчик фотонов. Импульсы с лавинного фотодиода поступают на вход усилителя. После усиления все эти импульсы передаются на вход амплитудного дискриминатора. Скорость счета импульсов,превышающих порог амплитудной дискриминации, регистрируется частотомером. Свето 2 12708 1 2009.12.30 диод используется как источник оптического излучения. Вольтметр контролирует напряжение источника питания. Однако в процессе работы лавинного фотодиода напряжение его пробоя изменяется из-за изменения параметров окружающей среды и условий регистрации оптического излучения. Вместе с ним меняется и величина , от значения которой зависят такие характеристики фотодиода, как квантовая эффективность регистрации, скорость счета импульсов и др. Величинатакже может меняться из-за нестабильности напряжения источника питания. Поэтому для обеспечения стабильной работы ЛФД необходимо поддерживать постоянное значение . Задачей предлагаемого изобретения является повышение точности измерений интенсивности оптического излучения с помощью лавинного фотодиода, работающего в режиме счета фотонов, за счет стабилизации величины- разности между напряжением питания и напряжением пробоя лавинного фотодиода. Поставленная задача решается таким образом, что устройство регистрации одиночных фотонов на базе лавинного фотодиода, содержащее лавинный фотодиод, усилитель, первый амплитудный дискриминатор, частотомер, источник питания, причем источник питания подключен к лавинному фотодиоду, соединенному с входом усилителя, а выход усилителя соединен с входом первого амплитудного дискриминатора, выход первого амплитудного дискриминатора подключен к частотомеру, дополнительно содержит второй амплитудный дискриминатор, два логических элемента И, два счетчика импульсов,сдвиговый регистр, цифроаналоговый преобразователь, линию задержки, генератор импульсов, резистор нагрузки, причем один вывод резистора соединен с корпусом устройства, другой подключен к лавинному фотодиоду и к входу усилителя, выход усилителя соединен с входом второго амплитудного дискриминатора, первые входы первого и второго логических элементов И соединены с выходами первого и второго амплитудных дискриминаторов соответственно, выходы первого и второго логических элементов И соединены с входами первого и второго счетчиков импульсов соответственно, выход первого счетчика соединен со вторыми входами логических элементов И и входом генератора импульсов, выход второго счетчика импульсов соединен с входом сдвигового регистра, выход генератора импульсов соединен с линией задержки и с управляющим входом сдвигающего регистра, линия задержки соединена с управляющими входами первого и второго счетчиков, выход сдвигающего регистра подсоединен ко входу цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с источником питания. Сущность изобретения заключается в устранении погрешности измерений интенсивности светового потока, вносимой нестабильностями . При работе ЛФД в режиме счета фотонов амплитудные распределения выходных импульсов фотодиода зависят от 2. Под амплитудным распределением понимается зависимость вероятности появления импульсов от величины их амплитуды. Такое отличие амплитуд импульсов связано со статистическим характером процесса умножения носителей заряда. Для одинаковых амплитудных распределений будут одинаковыми и вероятности превышения (или непревышения) импульсами некоторого порога амплитудной дискриминации. Поэтому если в процессе измерения интенсивности оптического излучения будут контролироваться вероятности превышения импульсами некоторого порога амплитудной дискриминации, то можно осуществить стабилизацию величиныпо отклонению вероятности превышения импульсами некоторого порога амплитудной дискриминации от заранее заданного значения. Так, если на выходе фотоприемника общее число импульсов равно , то из них только 1 импульсов превысит некоторый заданный порог амплитудной дискриминации. Тогда вероятность превышения порога может быть определена как отношение 1/. Контролируя это отношение, можно судить о том, изменилась ли величина . Еслиизменилась, то автоматически осуществляется ее подстройка. Отметим, что при увеличении 3 12708 1 2009.12.30 отношения 1/ величинунеобходимо уменьшать, а при уменьшении 1/ увеличивать . Таким образом, с учетом приведенных рассуждений поставленная задача решается следующим образом. В схему устройства регистратора одиночных фотонов на базе лавинного фотодиода дополнительно введены резистор нагрузки, амплитудный дискриминатор, два логических элемента И, два счетчика импульсов, сдвиговый регистр,цифроаналоговый преобразователь, линия задержки, генератор импульсов. Сущность изобретения поясняется фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 показана схема устройства, позволяющего выполнять измерения с учетом приведенных рассуждений, а временная диаграмма его работы - на фиг. 2. Устройство включает в себя лавинный фотодиод ЛФД, н - резистор нагрузки, источник напряжения питания ИП, усилитель У, дискриминаторы Д 1 и Д 2, частотомер Ч, логические элементы И И 1 и И 2, счетчики импульсов Сч 1 и Сч 2, сдвиговый регистр Рг,цифроаналоговый преобразователь ЦАП, линию задержки ЛЗ, генератор импульсов Г. Устройство функционирует следующим образом. Перед началом работы производится сброс счетчиков Сч 1 и Сч 2. Затем при помощи источника питания ИП устанавливается напряжение питания лавинного фотодиода выше его напряжения пробоя. Под действием оптического излучения или термогенерации носителей заряда в фотодиоде происходит лавинный пробой, и через него и резистор нагрузки протекают импульсы тока, которые с резистора нагрузки н поступают на вход усилителя У. После усиления импульсы поступают на входы амплитудных дискриминаторов Д 1 и Д 2. Порог амплитудной дискриминации Д 1 выбирается над уровнем собственных шумов усилителя. Порог амплитудной дискриминации Д 2 выбирается таким образом, чтобы скорость счета импульсов на выходе дискриминатора Д 1 была враз больше, чем на выходе Д 2. С выхода Д 1 импульсы поступают на вход частотомера Ч, где происходит их подсчет, и первый вход логического элемента И И 1. С выхода Д 2 импульсы поступают на первый вход логического элемента И И 2. На вторые входы элементов И 1 и И 2 подан логический нуль со счетчика импульсов Сч 1. Импульсы с выходов И 1 и И 2 подаются на входы счетчиков Сч 1 и Сч 2 соответственно. Счетчики подсчитывают импульсы, и когда счетчик Сч 1 насчитывает заданное числоимпульсов, на его выходе появляется логическая единица. При появлении логической единицы на выходе Сч 1 блокируется поступление импульсов на счетчики Сч 1 и Сч 2 с дискриминаторов Д 1 и Д 2, соответственно при помощи логических элементов И 1 и И 2, и осуществляется запуск генератора прямоугольных импульсов Г. Сигнал с выхода генератора поступает на управляющий вход сдвигающего регистра Рг и на вход линии задержки ЛЗ. По приходу сигнала генератора происходит запись данных с выхода счетчика Сч 2 в регистр Рг. Данные с выхода Рг поступают на цифроаналоговый преобразователь ЦАП, преобразующий цифровой сигнал в напряжение, которым управляется источник питания ИП. Если напряжение ЦАП выше некоторого заданного, то напряжение источника питания ЛФД понижается, если ниже - повышается. Сигнал генератора, задержанный на ЛЗ на время, необходимое для записи данных в регистр Рг, производит сброс счетчиков Сч 1 и Сч 2, после чего процесс подстройкиповторяется. Таким образом, заявляемое устройство повышает точность измерения интенсивности оптического излучения с помощью лавинного фотодиода, работающего в режиме счета фотонов, за счет стабилизации величины разности между напряжением питания и напряжением пробоя лавинного фотодиода без потери измерительного времени. Источники информации 1. А.с. СССР 1770773, МПК 01 1/44 // Бюл.39. - 1992 12708 1 2009.12.30 2. Гулаков И.Р., Шуневич С.А. Счет фотонов лавинными фотодиодами // Приборы и техника эксперимента. - 1987. -4. - С.183-185. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5