基于SiPM的高灵敏度大响应范围的弱光探测系统

刘刚; 贾宏志; 涂建坤

【期刊名称】《《光学仪器》》 【年(卷),期】2019(041)004 【总页数】5页(P69-73)

【关键词】硅光电倍增管(SiPM); 弱光探测; 自动偏压控制; 大范围响应 【作 者】刘刚; 贾宏志; 涂建坤

【作者单位】上海理工大学光电信息与计算机工程学院 上海200093; 上海赛克力光电缆有限责任公司 上海200093 【正文语种】中 文 【中图分类】TN29 引 言

随着科学技术的进步与人类对新能源技术的不断开发和利用，对光能的研究也进入一个新的阶段。探测微弱的光信号在光学上一直是一项重要的技术，很多领域都涉及到这项技术，包括电学、生物、测量、化学、工程设计等。在光电检测领域时常会遇到微弱的光信号被噪声干扰甚至淹没的情况，这种噪声通常来源于背景光的干扰，探测器的暗噪声，以及放大电路的噪声，如何从这些噪声信号中提取有用的光信号一直是光电检测的研究重点之一。

硅光电倍增管（SiPM）是一种高灵敏，高效和低时间抖动的辐射探测器。它是一

种由多个工作在盖革模式下的雪崩二极管组成的阵列型光电转化器件，具有高增益(105～107)和良好的时间分辨率(约120 ps)[1]，可直接检测从近紫外到近红外光谱。SiPM可用于极低光强/辐射水平的环境探测，尤其是对精度要求较高的场合。与传统的光电倍增管相比，它具有体积小，结构简单，对磁场不敏感，工作电压低以及价格低廉等优势[2-3]。

目前，关于SiPM的报道主要集中在正电子发射断层扫描（PET）、闪烁晶体研究、生物分子检测和高能物理等领域。2016年武汉第二船舶设计研究所蔺常勇等采用SiPM与塑料闪烁体耦合搭建的探测器，对SiPM的偏压特性、温度特性、抗磁场性能进行了实验研究[4]。2017年四川大学物理科学与技术学院董春辉等利用SiPM耦合掺铈硅酸钇镥（LYSO）组成的探测器对22Na放射源能量为511 keV的能量分辨率进行研究[5]。国际上，2012年欧洲核研究组织Gundacker等对三种硅光电倍增管和两种掺铈硅酸镥（LSO）闪烁晶体进行时间分辨的系统研究，旨在确定PET系统中具有的最高时间分辨率和最佳的探测条件[6]。2016年加利福尼亚大学Du等利用SiPM阵列做对比试验，通过测量不同尺寸SiPM阵列的能量分辨率、时间分辨率和饱和度等性能，得出适合用作PET扫描的SiPM阵列尺寸大小[7]。在这些报道中，光信号都非常微弱，SiPM工作在光子计数模式，因此不能满足在大动态范围对光信号的检测，本文设计了一套可自动调控的光电检测电路，可在高灵敏度和大动态范围内对光信号进行探测。 1 SiPM 工作模式

通常情况下，SiPM的工作模式分为三个基本阶段：静止等待阶段、放电阶段、恢复阶段。将无光子入射定义为静止等待阶段，在此阶段，二极管内无电流流动。当有光子入射，SiPM进入放电阶段，雪崩光电二极管（APD）两端的电压由盖革模式下降到其击穿电压，在此期间APD内部不断进行雪崩倍增，且一旦倍增被触发，整个雪崩过程会自我维持，这意味着如果没有淬灭，电流将稳定且无限地流出。由

于淬灭电阻的存在，雪崩过程被提前淬灭，APD进入恢复阶段，其两端电压再次上升到盖革模式下的电压，等待下一个光子的入射。 2 弱光检测部分系统搭建

选用德国First Sensor公司旗下的SiPM作为光电探测器，其增益可达3.6×106，击穿电压在26 V左右，弱光检测实验装置如图1所示。

图1 基于 SiPM 弱光检测系统装置图Fig. 1 Low light detection system device diagram based on SiPM

实验中采用激光器作为光源，并利用信号发生器调节激光器输出频率，在光路中采用不同光密度的衰减片对信号光进行衰减达到产生弱光的目的。由于SiPM是电流输出，所以我们设计一系列的电路将SiPM的输出转变成易于检测的电压输出。其中电流-电压转化电路利用合适阻值的电阻将SiPM输出转化成电压，放大部分采用仪表放大电路将转化后的电压输出并进行放大以便检测，滤波电路是二阶双二次型带通滤波电路最大程度的滤除实验噪声，包括实验中常见的50 Hz工频噪声，其中放大电路如图2(a)所示，滤波电路如图2(b)所示。 图2 弱光检测电路图Fig. 2 Weak light detection circuit 3 弱光检测结果显示与分析

表1 不同偏压下SiPM输出与入射光功率的关系Tab. 1 Relationship between SiPM output and incident light power under different bias voltage输出电压/V输入光功率/pW-30.5 V -30 V -29.5 V -29 V -28.5 V -28 V -27.5 V -27 V -26.5 V 0.5 23.7 33 39.2 60 89 145 310 815 135000.75 40.2 55 77.6 116 179 295 660 1920 39000163.2 91 128 191 305 539 1210 3710 1160001.25 86.6 125 182 286 447 828 1970 6480 2040001.5 112.9 174 248 408 642 1218 2990 10430 3500001.75 138.2 222 331 540 880 1649 4330 15340

5200002168 281 431 682 1150 2190 6000 20100 7500002.25 201 356 528

859 1450 2710 7900 28500 10800002.5 239 440 658 1099 1800 3340 10300 37200 1750000

本实验在暗室中进行，可以最大程度减小噪声光的干扰。实验中使用中心波长为639 nm的激光作为光源，其中输出光斑尺寸可以调整并精确覆盖SiPM的表面。以此，本文研究了不同偏压下SiPM输出信号与输入光功率之间的关系。实验中控制偏压分别为-30.5 V，-30.0 V，-29.5 V，-29 V，-28.5 V，-28 V，-27.5 V，-27 V，-26.5 V，并在不同偏压下调节激光器输出功率，得出SiPM的输出如表1所示，并以-30.5 V为例绘制了SiPM输出与入射光功率之间的关系图，如图3所示。从表1可以看出，在偏压改变时，我们可以测量25 pW到1.75 μW范围内连续的光信号，且偏压对SiPM的输出有很大影响，偏压较大时，SiPM对弱光的灵敏度越高，检测范围越小；当偏压较小时，SiPM的灵敏度下降，但此时检测范围越大。

图3 SiPM 输出与入射光强的线性关系Fig. 3 Linear relationship between SiPM output and incident light intensity

同时，我们对不同偏压下的入射光信号大小与SiPM的输出曲线进行拟合，拟合关系式如下（偏压依次为表1中的为-30.5 V到-26.5 V）

式中：y为输入光功率，x为SiPM输出。以上拟合关系式的拟合参数R2分别为0.9997、0.9994、0.9996、0.9990、0.9999、0.9998、0.9996、0.9985、0.9821。

4 可编程偏压调控模块设计

从上述实现结果中出发，我们提出了基于STM32的可自动调节的偏压电路，使系统达到高灵敏度、大响应范围检测光信号的需求。整个系统框图如图4所示，光信号经过SiPM及后续弱光检测模块转换成电压输出，STM32的AD采集模块对

电压信号进行采集。实验开始时，给程序一个初始值，使偏压模块的输出为-30.5 V，同时给采集信号设置一个阈值电压2.5 V，当采集到的信号大于2.5 V，通过程序改变DA的输出以此达到降低升压模块输出的效果，当升压模块输出不同电压时，将对应的拟合关系式带入，得到入射光信号的强度。

图4 自动调节偏压模块框图Fig. 4 Block diagram of auto regulating bias module

其中DC-DC升压模块电路如图5所示，LT1617是反向转换芯片，最大输出电压为-34 V，被广泛应用于LCD偏压模块、掌声电脑、备用电池和数码相机。U2构成一个电压反相器，将STM32的DA输出反向并输入LT1617的反馈引脚，根据输入值的不同使升压模块的最终输出在-30.5 V到-26.5 V变化。

图5 DC-DC 升压模块电路图Fig. 5 Circuit diagram of DC-DC boost module 为了验证本套系统的实用性，调节光强使其适应在不同的偏压下，实验中我们给定输入光功率分别为25 pW、100 pW、300 pW、500 pW、800 pW、1.20 nW、2.50 nW、6.00 nW、20.0 nW、750 nW、1.75 μW，所选的光功率值处于表1所示的不同偏压下SiPM检测的光强范围内，经过本文设计的可编程控制的弱光探测系统后测出SiPM输出，并将输出带入不同偏压下拟合的输入光强与输出电压的关系式，得到系统检测到的输入光强值。系统的输出光功率及真实光功率与系统输出的光功率偏差如表2所示，由表可以看出，本系统的误差在合理范围内。误差主要来源于噪声光的污染、升压模块的输出不完全稳定以及拟合曲线时带来的偏差。 表2 系统输出与实际光功率偏差对照表Tab. 2 The system output and the actual optical power deviation comparison table输入光功率/pW 系统输出光功率/pW 偏差25 24.42 2.32%100 97.48 2.52%300 306.56 2.18%500 490.22 1.96%800 822.34 2.79%1200 1162.20 3.15%2500 2417.35 3.30%6000 6140.32 2.33%20000 19274.00 3.63%750000 719800.00

4.02%1750000 1684000.00 3.77% 5 结 论

本文设计了一套以SiPM为光电探测器的弱光检测系统，研究了不同偏压下SiPM输出与入射光强的关系。实验结果显示，偏压对SiPM输出有很大影响，偏压越高，增益越大，灵敏度越高，探测范围越小；偏压越小，增益越小，灵敏度越低，探测范围越大。同时，为了满足高灵敏度，大范围内对光信号的检测，我们设计了自动调控偏压模块，该模块可根据SiPM输出的不同改变DC-DC升压电路的输出电压在-30.5 V到-26.5 V之间变化，达到在25 pW和1.75 μW之间对光信号的连续检测，且整个系统误差较小，基本控制在2%到4%左右。 参考文献：

【相关文献】

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