基于SiPM的高靈敏度大響應(yīng)范圍的弱光探測系統(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)對光信號的探測，提出了基于硅光電倍增管（SiPM）的弱光檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含自動調(diào)節(jié)偏壓電路、電流一電壓轉(zhuǎn)換電路、小信號放大電路和濾波電路。測量不同偏壓下SiPM的輸出與入射光信號之間的關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，偏壓對SiPM的輸出有很大影響，不同偏壓下，SiPM的探測能力和探測范圍都不相同。此外，該系統(tǒng)對25 pw到1.75uw的光信號都有響應(yīng)，能在極低和較高光功率范圍內(nèi)對光信號進(jìn)行連續(xù)探測。

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

中圖分類號：TN 29 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

引言

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步與人類對新能源技術(shù)的不斷開發(fā)和利用，對光能的研究也進(jìn)入一個新的階段。探測微弱的光信號在光學(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、測量、化學(xué)、工程設(shè)計(jì)等。在光電檢測領(lǐng)域時常會遇到微弱的光信號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，探測器的暗噪聲，以及放大電路的噪聲，如何從這些噪聲信號中提取有用的光信號一直是光電檢測的研究重點(diǎn)之一。

硅光電倍增管（SiPM）是一種高靈敏，高效和低時間抖動的輻射探測器。它是一種由多個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）和良好的時間分辨率（約120 ps），可直接檢測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，尤其是對精度要求較高的場合。與傳統(tǒng)的光電倍增管相比，它具有體積小，結(jié)構(gòu)簡單，對磁場不敏感，工作電壓低以及價(jià)格低廉等優(yōu)勢。

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器，對SiPM的偏壓特性、溫度特性、抗磁場性能進(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）組成的探測器對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)行時間分辨的系統(tǒng)研究，旨在確定PET系統(tǒng)中具有的最高時間分辨率和最佳的探測條件。2016年加利福尼亞大學(xué)Du等利用SiPM陣列做對比試驗(yàn)，通過測量不同尺寸SiPM陣列的能量分辨率、時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態(tài)范圍對光信號的檢測，本文設(shè)計(jì)了一套可自動調(diào)控的光電檢測電路，可在高靈敏度和大動態(tài)范圍內(nèi)對光信號進(jìn)行探測。

1SiPM工作模式

通常情況下，SiPM的工作模式分為三個基本階段：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。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)，整個雪崩過程會自我維持，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，等待下一個光子的入射。

2弱光檢測部分系統(tǒng)搭建

選用德國First Sensor公司旗下的SiPM作為光電探測器，其增益可達(dá)3.6×10°，擊穿電壓在26v左右，弱光檢測實(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信號光進(jìn)行衰減達(dá)到產(chǎn)生弱光的目的。由于SiPM是電流輸出，所以我們設(shè)計(jì)一系列的電路將SiPM的輸出轉(zhuǎn)變成易于檢測的電壓輸出。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，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，我們可以測量25 pW到1.75uW范圍內(nèi)連續(xù)的光信號，且偏壓對SiPM的輸出有很大影響，偏壓較大時，SiPM對弱光的靈敏度越高，檢測范圍越小;當(dāng)偏壓較小時，SiPM的靈敏度下降，但此時檢測范圍越大。

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)范圍檢測光信號的需求。整個系統(tǒng)框圖如圖4所示，光信號經(jīng)過SiPM及后續(xù)弱光檢測模塊轉(zhuǎn)換成電壓輸出，STM32的AD采集模塊對電壓信號進(jìn)行采集。實(shí)驗(yàn)開始時，給程序一個初始值，使偏壓模塊的輸出為-30.5 v，同時給采集信號設(shè)置一個閾值電壓2.5 v，當(dāng)采集到的信號大于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，將對應(yīng)的擬合關(guān)系式帶入，得到入射光信號的強(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系統(tǒng)后測出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為光電探測器的弱光檢測系統(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SiPM輸出有很大影響，偏壓越高，增益越大，靈敏度越高，探測范圍越小;偏壓越小，增益越小，靈敏度越低，探測范圍越大。同時，為了滿足高靈敏度，大范圍內(nèi)對光信號的檢測，我們設(shè)計(jì)了自動調(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之間對光信號的連續(xù)檢測，且整個系統(tǒng)誤差較小，基本控制在2%到4%左右。