TCSPC中经常使用的单光子探测器

单光子计数已经成为当今许多应用的标准方法，从时间分辨荧光光谱，到单分子探测，以及量子光学。单光子探测器是每个系统的关键部件之一。
一个理想的单光子探测器具有以下特点：
单光子探测效率（探测到光子入射到探测器上的概率）为100%；
暗计数率（在没有任何入射光子的情况下，探测器每一秒输出的脉冲个数）为0；
死时间（探测器探测一个光子后，无法探测光子的时间）为0；
时间分辨率（或定时抖动，光信号输入和电信号输出之间的延迟随探测事件的变化）越高越好；

图1：用于理想TCSPC的理想单光子探测器

不幸的是，一个完美的，具备多种理想优点的单光子探测器并不存在，因此，对于大多数应用，需要根据目标应用的关键参数需求来选择探测器。
通常，除了单光子探测效率（灵敏度），暗计数率，时间分辨率，死时间等关键参数外，脉冲后效应（afterpulsing），感光区域的大小也是实验中需要考虑的。
目前，有多种类型的单光子探测器，适用于单光子探测系统。如单光子计数型光电倍增管（PMT），微通道板PMT（MCP-PMT），混合型光电倍增管（Hybrid PMT detector），单光子雪崩光电二极管（SPAD），SPAD阵列探测器，超导纳米线单光子探测器（SNSPD）等。

一.单光子计数型光电倍增管PMT

光电倍增管（PMT）是十分成熟的单光子探测器，PMT一般包括三个关键器件：光阴极，倍增极和阳极。

二.混合型PMT

混合型PMT将光电阴极发射的光电子加速到5~10keV，这些电子被直接送至Si PIN或雪崩二极管。

三.单光子雪崩光电二极管（SPAD）

SPAD利用的是内光电效应，光子在半导体内产生电子-空穴对。在光电二极管和光电导体中，电场将电子和空穴进行分离，因此当有光照射时，就会产生光电流。当然，由单个电子-空穴对引起的光电流是很弱的，无法进行直接探测。不过，如果探测器中存在一个不引入任何热噪声背景的内增益机制，那么单光子就能被探测到。SPAD利用的雪崩效应就是满足这种条件的增益机制：在二极管上加上一个反向的高电压，从而使得载流子在半导体中运动时从晶格中打出新的电子-空穴对。这种雪崩效应可以产生10²~10³的稳定增益。

四.超导纳米线单光子探测器（SNSPD）

超导纳米线单光子探测器（SNSPD）是一种十分接近理想探测器的单光子探测器，具备量子极限灵敏度。它的基本原理是利用光子能量实现超导纳米线库伯对的拆对，一个光子就可以拆散数百个库伯对，从而在纳米线上形成一个非超导的热点区域。该热点区域会导致纳米线上的局域电流密度超过其可以承载的临界电流密度，从而实现一个横跨整个纳米线的阻区。该有阻区的能量会通过电-声子作用弛豫到衬底中，从而恢复初始的超导态。这个超导态-有阻态-超导态的动态过程在电路上体现为在纳米线两端产生一个电压脉冲，其典型幅值约1mV。通过对这个电压脉冲的甄别就可以实现单光子探测。