基于SiPM的高靈敏度大響應(yīng)范圍的弱光探測(cè)系統(tǒng)

劉剛 賈宏志 涂建坤

摘要：為了滿足在極低和較高光功率范圍內(nèi)對(duì)光信號(hào)的探測(cè)，提出了基于硅光電倍增管（SiPM）的弱光檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含自動(dòng)調(diào)節(jié)偏壓電路、電流一電壓轉(zhuǎn)換電路、小信號(hào)放大電路和濾波電路。測(cè)量不同偏壓下SiPM的輸出與入射光信號(hào)之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，偏壓對(duì)SiPM的輸出有很大影響，不同偏壓下，SiPM的探測(cè)能力和探測(cè)范圍都不相同。此外，該系統(tǒng)對(duì)25 pw到1.75uw的光信號(hào)都有響應(yīng)，能在極低和較高光功率范圍內(nèi)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行連續(xù)探測(cè)。

關(guān)鍵詞：硅光電倍增管（SiPM）;弱光探測(cè);自動(dòng)偏壓控制;大范圍響應(yīng)

中圖分類號(hào)：TN 29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與人類對(duì)新能源技術(shù)的不斷開發(fā)和利用，對(duì)光能的研究也進(jìn)入一個(gè)新的階段。探測(cè)微弱的光信號(hào)在光學(xué)上一直是一項(xiàng)重要的技術(shù)，很多領(lǐng)域都涉及到這項(xiàng)技術(shù)，包括電學(xué)、生物、測(cè)量、化學(xué)、工程設(shè)計(jì)等。在光電檢測(cè)領(lǐng)域時(shí)常會(huì)遇到微弱的光信號(hào)被噪聲干擾甚至淹沒的情況，這種噪聲通常來源于背景光的干擾，探測(cè)器的暗噪聲，以及放大電路的噪聲，如何從這些噪聲信號(hào)中提取有用的光信號(hào)一直是光電檢測(cè)的研究重點(diǎn)之一。

硅光電倍增管（SiPM）是一種高靈敏，高效和低時(shí)間抖動(dòng)的輻射探測(cè)器。它是一種由多個(gè)工作在蓋革模式下的雪崩二極管組成的陣列型光電轉(zhuǎn)化器件，具有高增益（10⁵～10⁷）和良好的時(shí)間分辨率（約120 ps），可直接檢測(cè)從近紫外到近紅外光譜。SiPM可用于極低光強(qiáng)/輻射水平的環(huán)境探測(cè)，尤其是對(duì)精度要求較高的場(chǎng)合。與傳統(tǒng)的光電倍增管相比，它具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，對(duì)磁場(chǎng)不敏感，工作電壓低以及價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。

目前，關(guān)于SiPM的報(bào)道主要集中在正電子發(fā)射斷層掃描（PET）、閃爍晶體研究、生物分子檢測(cè)和高能物理等領(lǐng)域。2016年武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所藺常勇等采用SiPM與塑料閃爍體耦合搭建的探測(cè)器，對(duì)SiPM的偏壓特性、溫度特性、抗磁場(chǎng)性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。2017年四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院董春輝等利用SiPM耦合摻鈰硅酸釔镥（LYSO）組成的探測(cè)器對(duì)Na放射源能量為511keV的能量分辨率進(jìn)行研究。國際上，2012年歐洲核研究組織Gun-dacker等對(duì)三種硅光電倍增管和兩種摻鈰硅酸镥（LSO）閃爍晶體進(jìn)行時(shí)間分辨的系統(tǒng)研究，旨在確定PET系統(tǒng)中具有的最高時(shí)間分辨率和最佳的探測(cè)條件。2016年加利福尼亞大學(xué)Du等利用SiPM陣列做對(duì)比試驗(yàn)，通過測(cè)量不同尺寸SiPM陣列的能量分辨率、時(shí)間分辨率和飽和度等性能，得出適合用作PET掃描的SiPM陣列尺寸大小。在這些報(bào)道中，光信號(hào)都非常微弱，SiPM工作在光子計(jì)數(shù)模式，因此不能滿足在大動(dòng)態(tài)范圍對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)，本文設(shè)計(jì)了一套可自動(dòng)調(diào)控的光電檢測(cè)電路，可在高靈敏度和大動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)對(duì)光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。

1SiPM工作模式

通常情況下，SiPM的工作模式分為三個(gè)基本階段：靜止等待階段、放電階段、恢復(fù)階段。將無光子入射定義為靜止等待階段，在此階段，二極管內(nèi)無電流流動(dòng)。當(dāng)有光子入射，SiPM進(jìn)入放電階段，雪崩光電二極管（APD）兩端的電壓由蓋革模式下降到其擊穿電壓，在此期間APD內(nèi)部不斷進(jìn)行雪崩倍增，且一旦倍增被觸發(fā)，整個(gè)雪崩過程會(huì)自我維持，這意味著如果沒有淬滅，電流將穩(wěn)定且無限地流出。由于淬滅電阻的存在，雪崩過程被提前淬滅，APD進(jìn)入恢復(fù)階段，其兩端電壓再次上升到蓋革模式下的電壓，等待下一個(gè)光子的入射。

2弱光檢測(cè)部分系統(tǒng)搭建

選用德國First Sensor公司旗下的SiPM作為光電探測(cè)器，其增益可達(dá)3.6×10°，擊穿電壓在26v左右，弱光檢測(cè)實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

實(shí)驗(yàn)中采用激光器作為光源，并利用信號(hào)發(fā)生器調(diào)節(jié)激光器輸出頻率，在光路中采用不同光密度的衰減片對(duì)信號(hào)光進(jìn)行衰減達(dá)到產(chǎn)生弱光的目的。由于SiPM是電流輸出，所以我們?cè)O(shè)計(jì)一系列的電路將SiPM的輸出轉(zhuǎn)變成易于檢測(cè)的電壓輸出。其中電流一電壓轉(zhuǎn)化電路利用合適阻值的電阻將SiPM輸出轉(zhuǎn)化成電壓，放大部分采用儀表放大電路將轉(zhuǎn)化后的電壓輸出并進(jìn)行放大以便檢測(cè)，濾波電路是二階雙二次型帶通濾波電路最大程度的濾除實(shí)驗(yàn)噪聲，包括實(shí)驗(yàn)中常見的50 Hz工頻噪聲，其中放大電路如圖2（a1所示，濾波電路如圖2（1））所示。

3弱光檢測(cè)結(jié)果顯示與分析

本實(shí)驗(yàn)在暗室中進(jìn)行，可以最大程度減小噪聲光的干擾。實(shí)驗(yàn)中使用中心波長為639 nn'l的激光作為光源，其中輸出光斑尺寸可以調(diào)整并精確覆蓋SiPM的表面。以此，本文研究了不同偏壓下SiPM輸出信號(hào)與輸入光功率之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)中控制偏壓分別為-30.5 v，-30.0 v，-29.5 v，-29 V，-28.5 V，-28 V，-27.5 V，-27 V，-26.5 v，并在不同偏壓下調(diào)節(jié)激光器輸出功率，得出SiPM的輸出如表1所示，并以-30.5 v為例繪制了SiPM輸出與入射光功率之間的關(guān)系圖，如圖3所示。從表1可以看出，在偏壓改變時(shí)，我們可以測(cè)量25 pW到1.75uW范圍內(nèi)連續(xù)的光信號(hào)，且偏壓對(duì)SiPM的輸出有很大影響，偏壓較大時(shí)，SiPM對(duì)弱光的靈敏度越高，檢測(cè)范圍越小;當(dāng)偏壓較小時(shí)，SiPM的靈敏度下降，但此時(shí)檢測(cè)范圍越大。

4可編程偏壓調(diào)控模塊設(shè)計(jì)

從上述實(shí)現(xiàn)結(jié)果中出發(fā)，我們提出了基于STM32的可自動(dòng)調(diào)節(jié)的偏壓電路，使系統(tǒng)達(dá)到高靈敏度、大響應(yīng)范圍檢測(cè)光信號(hào)的需求。整個(gè)系統(tǒng)框圖如圖4所示，光信號(hào)經(jīng)過SiPM及后續(xù)弱光檢測(cè)模塊轉(zhuǎn)換成電壓輸出，STM32的AD采集模塊對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行采集。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，給程序一個(gè)初始值，使偏壓模塊的輸出為-30.5 v，同時(shí)給采集信號(hào)設(shè)置一個(gè)閾值電壓2.5 v，當(dāng)采集到的信號(hào)大于2.5 v，通過程序改變DA的輸出以此達(dá)到降低升壓模塊輸出的效果，當(dāng)升壓模塊輸出不同電壓時(shí)，將對(duì)應(yīng)的擬合關(guān)系式帶入，得到入射光信號(hào)的強(qiáng)度。

其中DC-DC升壓模塊電路如圖5所示，LTl617是反向轉(zhuǎn)換芯片，最大輸出電壓為-34 v，被廣泛應(yīng)用于LCD偏壓模塊、掌聲電腦、備用電池和數(shù)碼相機(jī)。U2構(gòu)成一個(gè)電壓反相器，將STM32的DA輸出反向并輸入LT1617的反饋引腳，根據(jù)輸入值的不同使升壓模塊的最終輸出在-30.5V到-26.5V變化。

為了驗(yàn)證本套系統(tǒng)的實(shí)用性，調(diào)節(jié)光強(qiáng)使其適應(yīng)在不同的偏壓下，實(shí)驗(yàn)中我們給定輸入光功率分別為25 pW、100 pW、300 pW、500 pW、800 pW、1.20 nW、2.50 nW、6.00 nW、20.0 nW、750 nW、1.75uw，所選的光功率值處于表1所示的不同偏壓下SiPM檢測(cè)的光強(qiáng)范圍內(nèi)，經(jīng)過本文設(shè)計(jì)的可編程控制的弱光探測(cè)系統(tǒng)后測(cè)出SiPM輸出，并將輸出帶入不同偏壓下擬合的輸入光強(qiáng)與輸出電壓的關(guān)系式，得到系統(tǒng)檢測(cè)到的輸入光強(qiáng)值。系統(tǒng)的輸出光功率及真實(shí)光功率與系統(tǒng)輸出的光功率偏差如表2所示，由表可以看出，本系統(tǒng)的誤差在合理范圍內(nèi)。誤差主要來源于噪聲光的污染、升壓模塊的輸出不完全穩(wěn)定以及擬合曲線時(shí)帶來的偏差。

5結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套以SiPM為光電探測(cè)器的弱光檢測(cè)系統(tǒng)，研究了不同偏壓下SiPM輸出與入射光強(qiáng)的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，偏壓對(duì)SiPM輸出有很大影響，偏壓越高，增益越大，靈敏度越高，探測(cè)范圍越小;偏壓越小，增益越小，靈敏度越低，探測(cè)范圍越大。同時(shí)，為了滿足高靈敏度，大范圍內(nèi)對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)，我們?cè)O(shè)計(jì)了自動(dòng)調(diào)控偏壓模塊，該模塊可根據(jù)SiPM輸出的不同改變DC-DC升壓電路的輸出電壓在-30.5 v到-26.5 v之間變化，達(dá)到在25 pW和1.75 uw之間對(duì)光信號(hào)的連續(xù)檢測(cè)，且整個(gè)系統(tǒng)誤差較小，基本控制在2%到4%左右。