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

摘要：为了满足在极低和较高光功率范围内对光信号的探测，提出了基于硅光电倍增管（SiPM）的弱光检测系统，该系统包含自动调节偏压电路、电流一电压转换电路、小信号放大电路和滤波电路。测量不同偏压下SiPM的输出与入射光信号之间的关系，实验结果显示，偏压对SiPM的输出有很大影响，不同偏压下，SiPM的探测能力和探测范围都不相同。此外，该系统对25 pw到1.75uw的光信号都有响应，能在极低和较高光功率范围内对光信号进行连续探测。

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

中图分类号：TN 29 文献标志码：A

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），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。

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。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Na放射源能量为511keV的能量分辨率进行研究。国际上，2012年欧洲核研究组织Gun-dacker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。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。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。

1SiPM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3.6×10°，击穿电压在26v左右，弱光检测实验装置如图1所示。

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。其中电流一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（a1所示，滤波电路如图2（1））所示。

3弱光检测结果显示与分析

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 nn'l的激光作為光源，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1.75uW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。

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。

其中DC-DC升压模块电路如图5所示，LTl617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-30.5V到-26.5V变化。

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、1.75uw，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。

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 uw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。