[实用新型]APD温度自适应近红外单光子探测装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及高速量子探测和灵敏光电探测领域，尤其涉及一种APD温度自适应近红外单光子探测装置。 

背景技术

传统上，进行单光子探测的主要器件是光电倍增管和雪崩光电二极管(APD)。对于紫外和可见光，光电倍增管具有很好的响应度、极高的时间分辨率和很小的暗电流，非常适合该波段的单光子探测。但是它对波长超过1微米的光的探测效率很低(小于1％)，这使得它在红外测量领域几乎没有实用价值。雪崩光电二极管APD是一种高增益的光电探测器件，可以应用于近红外波段的探测。 

雪崩光电二极管APD是一种P-N结型的光检测二极管，利用载流子的雪崩倍增效应来放大光电信号以提高检测灵敏度。当雪崩光电二极管APD加上足够高的反向偏压，即工作在反向击穿电压附近时，受到光照就会在吸收层产生光生载流子，这些载流子继而注入倍增层。光生载流子在倍增层从强电场中获得足够的能量，能够碰撞晶格原子使其电离，产生新的电子空穴对。新的电子空穴对在电场作用下加速并再次与晶格原子发生碰撞产生更多的电子空穴对。这种碰撞电离现象循环发生，像雪崩一样，使光电流在其内进行倍增，形成可被稳定探测的正比于光照强度的电流。 

雪崩光电二极管APD的内部增益对温度很敏感，随着环境温度发生变化，雪崩光电二极管APD的增益会发生温度漂移现象，引起测量精度的恶化。当雪崩光电二极管APD温度升高时，由热激发所产生的载流子数目也将增加，这部分载流子同样获得雪崩增益，但这些载流子将消耗很大一部分场强，使得P-N结上的场强降低，从而使雪崩光电二极管APD的增益降低；反之当雪崩光电二 极管APD的温度降低时，其增益将增加。 

目前通常使用的雪崩光电二极管APD的响应度一般在1A/W以下。而响应度在1A/W以上的雪崩光电二极管APD，单光子测量使用时温度漂移现象会更加严重，由于这种雪崩光电二极管APD是生物发光、大气探测等超高灵敏探测领域所必须的，因此在使用过程中，需要有技术方法保持雪崩光电二极管APD的增益不变。目前的技术方法一种是利用半导体技术制作恒温装置，使雪崩光电二极管APD在工作时保持温度不变，这种方法对系统的回馈电路要求很高，且结构复杂，功耗高，体积庞大，不便安装使用；另一种是通过单片机采集温度传感芯片或者热电阻的数值，经过单片机内部程序计算，进而引脚输出控制信号，控制高压芯片调整APD直流偏压，这种方法不仅需要硬件设计，还需要相应软件处理，电路复杂，实现困难。 

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种APD温度自适应近红外单光子探测装置，能够实现近红外单光子测量，并利用普通二极管前向导通电流不变时，导通压降随温度的上升而近似线性降低的特性，修正温度变化时雪崩光电二极管APD的直流偏压，实现温度的自适应，结合机械机构的设计，保证其单光子探测时增益的稳定，温度适应性好，电路简单，体积小，便于安装使用。 

为了解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：APD温度自适应近红外单光子探测装置，包括雪崩光电二极管APD、直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路、信号放大输出电路、DC-DC高压模块和外壳； 

直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路与DC-DC高压模块输入端连接； 

雪崩光电二极管APD的阴极通过电阻R1与DC-DC高压模块输出端连接； 

雪崩光电二极管APD的阳极与信号放大输出电路连接； 

雪崩光电二极管APD的阳极通过负载电阻R2接地； 

外壳包括两端由端盖封闭的筒形壳体； 

直流偏压温度跟随电路、直流偏压保护电路、信号放大输出电路、DC-DC高压模块均安装在筒形腔体内； 

雪崩光电二极管APD嵌在外壳的端盖上。 

作为优选，雪崩光电二极管APD的响应度在1A/W及以上。 

作为优选，直流偏压温度跟随电路包括恒流源、二极管D1、电压跟随电路和电压放大电路；所述恒流源输出分别连接二极管D1阳极和电压跟随电路，二极管D1阴极接地；电压跟随电路与电压放大电路连接。 

作为进一步的优选，二极管D1紧贴雪崩光电二极管APD的后部安装。 

作为更进一步优选，二极管D1通过界面导热材料紧贴雪崩光电二极管APD的后部安装。 

作为优选，直流偏压保护电路包括二极管D2，放大器U3和可调电阻R6；所述放大器U3的正输入端接可调电阻R6的可调端，放大器U3的负输入端和输出端连接二极管D2阴极，组成电压跟随器。