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量子探測效率（DEQ）檢測

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發(fā)布時間：2025-08-06 01:55:52 更新時間：2025-08-05 01:55:52

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作者：中科光析科學(xué)技術(shù)研究所檢測中心

量子探測效率（Quantum Detection Efficiency, DEQ）檢測

量子探測效率（Quantum Detection Efficiency, DEQ 或 QE）是衡量光電探測器（如CCD、CMOS圖像傳感器、光電二極管、光電倍增管、單光子探測器等）將入射光子轉(zhuǎn)換為可檢測電信號能力的關(guān)鍵性能參數(shù)。它定義為探測器輸出的光生載流子（電子或空穴）數(shù)量與入射到探測器表面的光子數(shù)量的比值，通常以百分比(%)表示。DEQ直接反映了探測器對不同波長光子的敏感度，是評估探測器在低光環(huán)境、高精度光譜分析、量子通信、生物成像、天文觀測等領(lǐng)域應(yīng)用性能的核心指標。

精確測量DEQ對于器件研發(fā)、質(zhì)量控制、系統(tǒng)集成和性能優(yōu)化至關(guān)重要。它受多種因素影響，包括探測器材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計、表面反射與吸收特性、內(nèi)部量子效率、電荷收集效率以及測量條件（如波長、溫度、偏壓）。因此，DEQ檢測需要在嚴格控制的環(huán)境和標準化的方法下進行，以確保結(jié)果的準確性和可比性。一個全面的DEQ檢測項目通常會涵蓋探測器對不同光譜的響應(yīng)特性。

檢測項目

一個標準的量子探測效率檢測項目通常包括以下核心內(nèi)容：

1. 絕對光譜響應(yīng)測量：這是DEQ檢測的核心。測量探測器在特定波長（或窄波段）光照射下的輸出電流（或電荷）與已知的、精確測量的入射光功率（對應(yīng)光子通量）之比，從而計算出該波長點的DEQ值。

2. 波長掃描：在探測器有效工作波長范圍內(nèi)（例如300nm至1100nm對硅基器件），以一定步長（如10nm或5nm）進行多點測量，繪制出DEQ隨波長變化的曲線（光譜響應(yīng)曲線）。這反映了探測器對不同顏色光的敏感度差異。

3. 線性度測試：驗證探測器的DEQ值是否隨入射光功率（光子通量）的變化而保持恒定，或者確定其線性工作范圍。高精度的應(yīng)用要求DEQ具有良好的線性度。

4. 溫度依賴性測試：評估環(huán)境溫度變化對DEQ值的影響，特別是在需要寬溫度范圍工作的應(yīng)用中。

5. 均勻性測試：對于面陣探測器（如圖像傳感器），測量不同像元或區(qū)域之間的DEQ差異。

檢測儀器

進行高精度DEQ檢測需要一套精密的儀器系統(tǒng)，主要包括：

1. 可調(diào)諧單色光源：提供波長精確可調(diào)、帶寬窄（單色性好）的單色光。常用類型包括： * 單色儀（Monochromator）：利用光柵或棱鏡分光，配合寬譜光源（如鹵鎢燈、氙燈）。 * 可調(diào)諧激光器：提供更高單色性和光強的光源，尤其適合低噪聲和單光子級測量。

2. 精密光功率計/標準探測器：作為測量的基準。 * 傳遞標準探測器：經(jīng)過國家計量機構(gòu)（如NIST）嚴格校準、已知絕對光譜響應(yīng)的標準探測器（通常是陷阱式或熱釋電探測器），用于精確標定入射到待測探測器（DUT）位置的光功率（光子通量）。這是實現(xiàn)絕對DEQ測量的關(guān)鍵。

3. 精密光學(xué)平臺與光路組件： * 光學(xué)導(dǎo)軌、透鏡、反射鏡、分束器、衰減片：用于構(gòu)建、引導(dǎo)、聚焦、分光和調(diào)節(jié)光強。 * 光闌：限制光束尺寸和雜散光。 * 快門：精確控制光照時間。

4. 待測探測器（DUT）測試平臺： * 精密位移臺：精確對準探測器與光束。 * 溫控裝置（如恒溫箱或熱電制冷器）：控制DUT的工作溫度。 * 低噪聲電學(xué)探針臺或插座：為探測器提供偏置電壓并讀取其電信號輸出。

5. 低噪聲信號測量與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)： * 低噪聲電流/電荷放大器：放大探測器輸出的微弱電流或電荷信號。 * 精密電壓源：提供穩(wěn)定的探測器偏置電壓。 * 高精度數(shù)字萬用表（DMM）、皮安表、靜電計或鎖相放大器：精確測量輸出電信號。 * 計算機與數(shù)據(jù)采集卡：控制儀器、采集數(shù)據(jù)并進行處理。

6. 暗箱：屏蔽環(huán)境光，確保測量在暗場條件下進行。

檢測方法

絕對量子探測效率的測量通常遵循比較法或替代法，核心步驟包括：

1. 系統(tǒng)搭建與校準：在光學(xué)平臺上構(gòu)建穩(wěn)定、低雜散光的光路。使用傳遞標準探測器精確測量到達DUT位置的光功率（P_λ）或光子通量（Φ_photon = P_λ / (hc/λ)，其中h為普朗克常量，c為光速，λ為波長）。

2. 傳遞標準測量：將傳遞標準探測器置于DUT位置，測量其在波長λ下的響應(yīng)（如電流I_std），并結(jié)合其已知的絕對光譜響應(yīng)度（R_std(λ)，單位通常是A/W），計算出該點的絕對入射光功率：P_λ = I_std / R_std(λ)。

3. DUT測量： * 光電流法（適用于光伏或光電導(dǎo)模式）：移開傳遞標準探測器，將DUT精確放置在同一位置。在波長λ、相同光功率P_λ照射下，測量DUT產(chǎn)生的光電流I_dut(λ)。 * 光子計數(shù)法（適用于單光子探測器）：在已知平均光子通量Φ_photon下，測量DUT的探測效率（探測到的事件數(shù)/入射光子數(shù)）。

4. 計算DEQ： * 對于光電流法：DEQ(λ) = [I_dut(λ) * (hc / eλ) ] / P_λ * 100% = [I_dut(λ) * 1240 (約數(shù)) ] / [P_λ * λ(nm)] * 100% (其中e為電子電荷，hc/e ≈ 1240 eV*nm，P_λ單位為W，λ單位為nm)?；蛘吒苯拥兀篋EQ(λ) = (I_dut(λ) / e) / (P_λ / (hc/λ)) = (I_dut(λ) * hc) / (e * P_λ * λ) * 100%。本質(zhì)是光生電子速率除以入射光子速率。 * 對于光子計數(shù)法：DEQ(λ) = (計數(shù)率 / 暗計數(shù)率校正后) / Φ_photon * 100%。

5. 波長掃描：重復(fù)步驟2-4，掃描整個目標波長范圍。

6. 數(shù)據(jù)處理與報告：繪制DEQ光譜響應(yīng)曲線，記錄測量條件（波長、光功率、溫度、偏壓、積分時間等），進行不確定度分析。

檢測標準

為了確保DEQ測量結(jié)果的準確性和不同實驗室間的可比性，需要遵循相關(guān)的國際或國家標準。常用的標準包括：

1. 國際標準： * ISO/IEC 17025：檢測和校準實驗室能力的通用要求。要求實驗室建立質(zhì)量管理體系和測量不確定度評估程序。 * ISO 15529:2010：光學(xué)和光子學(xué) - 光學(xué)傳遞函數(shù) - 光學(xué)成像系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)（MTF）測量的原則。雖主要針對MTF，但其對光輻射計量溯源性和不確定度的要求也適用于DEQ。

2. 美國標準： * NIST Special Publications (e.g., SP250 series)：美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）發(fā)布的一系列關(guān)于光學(xué)輻射測量的詳細指南和校準服務(wù)文檔，是DEQ絕對測量溯源的重要基礎(chǔ)。例如，NIST提供標準探測器的校準服務(wù)。 * EMVA 1288 Standard：歐洲機器視覺協(xié)會制定的《機器視覺傳感器和相機的光電相機參數(shù)測量標準》。這是一個廣泛用于工業(yè)成像傳感器（