Рефлектометрия на основе счета фотонов

Основная идея данного метода заключается в использовании квантовой природы света и статистики Пуассона, которая приобретает большое значение при сверхнизких уровнях оптической энергии.

Вероятность регистрации k -го фотоэлектрона в момент времени t задана сложной вероятностью, которая является произведением вероятности появления фотоэлектрона в единичном интервале времени, начиная с момента времени t, и вероятности того, что (k –1) фотоэлектронов будут зарегистрированы в интервале времени (0, t). Таким образом, вероятность регистрации k -го фотоэлектрона в момент времени t будет задан формулой

(2.9)

Для k =1 соотношение (2.9) описывает частный случай – вероятность регистрации первого фотоэлектрона в момент времени t:

(2.10)

Если среднее число излученных фотонов в течение одного импульса очень мало

n ₀<<1, (2.11)

то R ₁ может быть аппроксимировано с допустимой ошибкой следующей формулой

(2.12)

Таким образом, полагая, что n ₀<<1, вероятность регистрации первого фотоэлектрона “точно” соответствует функции освещенности. Если временная задержка между началом генерации оптического излучения и регистрацией первого фотоэлектрона измеряется много раз, то относительное число появления отдельных временных задержек будет точно соответствовать временной зависимости исследуемой оптической мощности. Соотношение (2.12) является основной формулой метода распределения временной задержки единичного фотона.

Для случая N -кратного измерения отношение сигнал/шум будет определяться соотношением

(2.13)

Минимально детектируемая мощность может быть получена при условии SNR_N =1:

(2.14)

Серьезным недостатком коррелированного во времени метода счета единичных фотонов, следующим из выражения (2.11), является относительно большое время измерения, которое достигает значений от единиц до десятков или сотен минут, что в большинстве практических случаев не допустимо. Тем не менее, это можно избежать, пренебрегая условием (2.11) и вводя соответствующую коррекцию результатов измерения.

Упрощенная блок-схема экспериментальной установки для регистрации обратно рассеянного света методом распределенной временной задержки единичных фотонов приведена на рис.2.5.

Рис.2.5. Блок-схема экспериментальной установки

Она состоит из двух основных групп блоков. Первая группа (генератор импульсов, лазер, ответвитель оптического излучения), которая присутствует в любом классическом рефлектометре, позволяет получить обратно рассеянный свет из ВС как отклик на возбуждающий импульс оптического излучения. Роль второй группы (SPAD детектор, счетчик, компьютер) заключается в обработке сигнала из оптоволокна.

Обратно рассеянный свет направляется в специальный детектор, основной частью которого является SPAD диод. Корректная работа детектора обеспечивается генератором импульсов, что позволяет избежать проблему френелевского отражения. Счетчик измеряет временную задержку между началом измеряемой обратно рассеянной световой волны и моментом детектирования первого фотоэлектрона. Данные из счетчика поступают в компьютер.

SPAD (Single-Photon Avalanche Diode – лавинный диод, регистрирующий единичный фотон) является лавинным диодом со специальной топологией [13], делающей возможным детектирование единичных фотонов. Свойство детектирования единичных фотонов достигается подачей на диод напряжения, превышающего напряжение пробоя. Для ограниченного периода времени возможно ввести диод в такое состояние, когда в фоточувствительном слое не будет свободных носителей заряда. В этом случае первый принятый фотон запускает процесс лавинного увеличения числа носителей заряда, который формируют импульс тока. Если напряжение смещения диода внезапно уменьшить до значения ниже величины пробоя, что позволит всем свободным носителям заряда релаксировать (срыв лавинного процесса), то после нового установления напряжения смещения выше величины пробоя диод снова становится способным регистрировать следующий фотон.

Дата добавления: 2015-04-30