从紫外到红外的单光子探测器

由 Becker & Hickl 设计和制造：bh 提供各种探测器，包括光电倍增管 (PMC)、混合光探测器(HPM)、红外范围的单光子雪崩二极管 (SPAD) 以及多通道和多光谱探测器。速度最快的探测器的时间分辨率在20 ps 以下（红外全宽半最大值）。检测范围涵盖从紫外到红外的各种波长，时间分辨率从小于 20 ps 到几百 ps 不等。bh 保证其 TCSPC 模块可与任何光子计数探测器（包括超导NbN 探测器）配合使用，并达到尽可能短的 IRF 宽度。请参阅《bh TCSPC 手册》"用于 TCSPC 的探测器 "一章。现在就选择您的探测器：

单光子探测器概述

目录：

• 用于时间相关单光子计数的探测器
• 光电倍增管（PMT）
• MCP PMT
• 混合探测器
• 单光子雪崩光电二极管 (SPAD)
• 硅光电倍增管（SIPM）
• 超导单光子探测器 (SSPD)

时间相关单光子计数探测器

除了 TCSPC 设备本身，探测器是TCSPC或TCSPC FLIM系统中最关键的部分。它必须有足够的增益来为检测到的单光子产生电脉冲，检测概率应尽可能高，电脉冲振幅应远远高于噪声电平，传输时间抖动应在几百 ps 或更小的范围内，脉冲的振幅抖动应尽可能小。此外，还有其他一些参数，如背景计数率、光谱灵敏度、有效区域的大小和后脉冲概率。在为特定应用选择探测器时，必须考虑所有这些参数。下面介绍 TCSPC 和 TCSPC FLIM 常用的探测器。

光电倍增管（PMT）

光电倍增管或 PMT 早在上世纪 40 年代就出现了。光电倍增管（PMT）是一种真空装置，包含一个光电阴极、若干个dynodes（放大级）和一个输出信号的阳极。原理如下图所示。

工作电压会产生一个电场，加速电子从光电阴极到第一个阳极 D1，再到下一个阳极，然后从 D8 到阳极。当一个光电子击中 D1 时，会释放出几个次级电子。当 D1 发出的电子撞击 D2 时，也会发生同样的情况。整体增益达到¹⁰⁶到¹⁰⁸。阳极的次级发射非常快，因此一个光电子产生的次级电子在几毫微秒内就能到达阳极。由于增益高、响应时间短，单个光电子在阳极产生的电流脉冲很容易被检测到。传输时间差（即光子检测和输出脉冲之间的时间抖动）可小至 120 ps。尽管 PMT 是所有单光子探测器中历史最悠久的一种，但它至今仍未过时。PMT 的主要优势在于其有效面积非常大。PMT 可用于光不能集中在一个小区域的实验。例如漫反射光学成像应用或核物理中的粒子探测。大型中微子探测设备的光学探测器也是 PMT。

MCP PMT

微通道板式 PMT 实现了与传统 PMT 类似的增益效果，见下图。MCP PMT 使用带有电阻涂层的通道。沿着通道施加高电压。通道壁作为二次发射目标。微通道板包含大量直径为 3 至 15 µm 的通道。两个或三个通道板可以串联排列，以获得高增益。由于光电阴极和第一个 MCP 之间的距离很小，通道尺寸也很小，因此光电子的传输时间差可短至 25 ps 或更短。使用 bh TCSPC 模块进行的测试产生的IRF 小于 20 ps FWHM。

MCP PMT 的增益约为¹⁰⁶。一个简单的高带宽放大器就足以记录 TCSPC 模块产生的单光子脉冲。

混合探测器

混合 PMT（简称 “混合探测器”）的基本原理如下图所示。光电阴极发射的光电子被强电场加速，并直接注入硅雪崩二极管。该装置有两种放大机制。当加速的光电子撞击雪崩二极管时，会在硅中产生大量电子-空穴对。雪崩二极管的线性增益会进一步放大这些载流子。(请注意，雪崩二极管在击穿模式下不起作用）。

对于 TCSPC 而言，光电阴极和雪崩二极管之间的高加速电压非常重要，因为它能降低传输时间差。加速电压为 8 kV 时，电子飞行时间的时差小于 20 ps。由于放大系统的 TTS 如此之低，使用 TCSPC 获得的实际 IRF 明显取决于阴极材料。使用砷化镓和砷化镓阴极时，IRF 宽度在 80 ps 至约 200 ps 之间。使用传统的双碱和多碱阴极时，IRF 宽度低于 20 ps FWHM。

混合型 PMT 集大面积、快速响应和高探测效率于一身。然而，混合型 PMT 的最大优点是没有后脉冲。后脉冲是高重复率 TCSPC 应用中计数背景的主要来源，也是荧光相关测量中的一个已知问题。本底对荧光寿命测定的准确性有不利影响。FCS 中的后脉冲会导致相关时间短于几微秒时出现假峰值。混合探测器是荧光衰减、分子成像、光子相关和单分子实验的最佳探测器。

单光子雪崩光电二极管（SPAD）

单光子雪崩光电二极管（SPAD）是一种半导体器件。光子在器件内被吸收后会产生电子-空穴对。当然，单对载流子产生的电信号太小，无法被检测到。因此，SPAD 使用雪崩效应。施加在器件上的电压会加速电子和空穴。这些电子和空穴吸收了足够的能量，从而产生更多的电子-空穴对。结果，电子-空穴对形成雪崩。雪崩会通过器件产生一个易于检测的电流脉冲，器件上的电压会被击穿，这与盖革计数器的工作原理类似。因此，这种工作模式也被称为 “击穿模式 “或 “盖革模式”。为避免器件彻底击穿，可通过暂时降低二极管上的电压来 “淬灭 “雪崩，见下图。

SPAD 的传输时间差取决于探测器的尺寸和有效容积的深度。标准器件的 TTS 约为 50 ps 到 200 ps。有源区的直径在 50 到 200 微米之间。使用 bh TCSPC 模块进行的实验表明，快速 SPAD 的传输时差可以小于 10 ps FWHM。然而，这是以非常小的有效区域为代价的。直径只有 10 微米的超快 SPAD 并不罕见。

硅光电倍增管（SIPM）

硅光电倍增管（SIPM）是在单个硅芯片上集成数千个 SPAD 的阵列。SPAD 通过单个串联电阻器被动淬火，其输出连接到一个信号输出端。有效面积从 1^平方毫米到超过 4^平方厘米不等。0.5^平方厘米SIPM 的测试结果如下所示。

所测试的探测器的 FWHM 为 270 ps。这并不是非常快，但完全在 TCSPC 的应用范围之内。然而，SIPM 的暗计数率极高，而且不会因冷却而充分降低。脉冲振幅抖动很大，因此在 TCSPC 模块中设置探测器增益和 CFD 参数的正确组合至关重要。尽管 SIPM 被越来越多的人誉为光子探测领域的 “非加法”，但迄今为止，其在 TCSPC 应用中的表现却令人失望。详情请参见 bh TCSPC 手册第 10 版 “TCSPC 探测器 “一章。

超导单光子探测器 (SSPD)

超导单光子探测器（SSPD）是在隔离基底上由超小、超薄的氮化铌蜿蜒线或单根纳米线制成的，见下图。将该装置冷却到低于 3 开尔文的温度，使氮化铌结构成为超导结构。几微安的直流电流通过该结构。当一个光子在蜿蜒结构的某处被吸收时，超导性就会暂时丧失。器件两端的电压暂时升高，相应的电压脉冲表示检测到光子。进入 50 Ω 负载的脉冲幅度约为 0.5 至 1 mV。因此，需要使用高增益超宽带放大器将振幅提高到触发 TCSPC 模块的 CFD 的水平。

通过 SSPD 获得的时间分辨率可达到 10 ps 以下。SSPD 的灵敏度从可见光谱范围到近 10 µm。暗计数率为每秒几个脉冲。SSPD 在光谱学应用中的问题是有效区域极小。通常，有效区域不超过几微米。

bh TCSPC 器件使用莫斯科 SCONTEL 公司的探测器获得了17.8 ps FWHM的 IRF，使用加利福尼亚 JPL 公司的单纳米线探测器获得了4.4 ps FWHM的 IRF。