盖革APD阵列用于大气波前分层探测的可行性研究

Abstract.Aim:.To put forward an innovation technology of measurement of the wavefront distortion caused by the atmospheric turbulence based on Geiger mode APDs array. .Geiger mode APD:.When biased above the breakdown voltage, which called Geiger mode, avalanche photodiodes (APDs) and avalanche photodiode arrays (APDs arrays) have the ability of single-photon detecting, find applications in many areas like astronomy, biochemistry, waveguide photo detector, telecommunication, particle physics and general instrumentation. With APDs array, many geometrical and device parameters can be adjusted to optimize their performance for a particular application..Methods:. Develop photon counting model based on characters of Geiger APDs array, Poisson point process of photons and random phase screen, to find relationship between photon counting and wavefront distortion;. Develop chromatography inversion model based on photon counting and random phase screen, to find relationship between photon counting, sub turbulence layers and wavefront distortion;. Develop experimental platform based silicon APD arrays, to validate the photon counting model and the chromatography inversion model..Expected results:. Photon counting and chromatography model based on APDs arrays;. Experiment system.

建造大型、极大型望远镜正在成为世界天文光学技术发展的方向和热点。随着望远镜口径的增大，大气湍流对地基望远镜成像质量的影响更加显著，需要采用自适应光学方法减小大气湍流的影响，这就需要深入探索研究高精度、低噪声，具有分层或多层探测能力的大气波前探测技术。目前普遍使用的波前探测方法受到CCD灵敏度低，积分时间长等因素的限制，已经无法满足大气波前分层探测的需要。针对这种情况，本项目拟对基于盖革APD阵列的大气波前探测方法开展研究。盖革APD是一种新型的光电探测器件，通过可控雪崩效应达到超高灵敏度，具有单光子探测能力和纳秒量级的时间分辨率。项目将建立盖革APD阵列的光子计数反演模型和实验系统，进行微弱散射光信号的连续探测实验，通过反演结果与时间相关分析实现大气波前分层探测。项目拟通过四年时间的研究，突破光子计数系统噪声抑制、层析反演模型、APD阵列耦合等关键技术，为我国大型望远镜的研制储备技术。

地球大气层产生的湍流会对地基天文光学望远镜成像质量造成影响，望远镜口径越大，干扰越严重。为了减小大气湍流对望远镜成像质量的影响，需要对大气波前误差进行测量和校正。多层大气波前误差测量能够更加准确地反映大气波前的湍流分布情况，实现更高精度的波前误差校正。目前普遍使用的波前探测器多以CCD作为探测核心，受到CCD 灵敏度低，积分时间长等因素的限制，仅能进行一层或者两层的大气波前测量，无法满足多层探测的需要。盖革APD是一种新型的光电探测器件，能够通过可控雪崩效应达到超高探测灵敏度，具有单光子探测能力和纳秒量级的时间分辨率。采用APD阵列进行大气波前探测的结果同时包含了能量信息和时间信息，可以有效提高大气波前分层探测精度和频率。.在国家自然科学基金的资助下，本项目开展了APD阵列用于大气波前探测可行性的研究。研究以sensl公司Matrix9 APD阵列作为探测核心，研究主要内容包括： APD阵列响应特性研究，APD阵列驱动与检波特性研究，光子计数噪声机理与抑制方法研究，光源信号调制与器件响应特性匹配研究，APD阵列用于波前探测实验验证研究等。通过以上内容的研究工作，建立了APD阵列的响应模型与光子计数反演模型，进行了APD阵列响应特性测试，得到了APD阵列偏置电压、检波阈值、计数噪声与入射光信号强度、频率、占空比之间的相互影响与联系，给出了适用于波前探测的最佳匹配参数，进行了微透镜阵列焦平面图像的采集和反演成像、质心计算，并对影响质心计算精度的因素进行了分析。.项目通过四年时间的研究，验证了APD阵列用于大气波前探测是可行性，突破了APD阵列噪声抑制、光源信号调制及APD阵列响应特性匹配等一系列的关键技术，对于我国大型望远镜的研制具有重要的意义。