Temario del curso
Los contenidos del curso son los detallados a continuación. La organización de estos contenidos en diferentes temas o capítulos aún no está cerrada. El material docente que cubrirá estos contenidos serán apuntes (tanto en inglés como en español), colecciones de ejercicios, etc., que serán estudiados a distancia por el alumno durante un plazo de unas 3 semanas.
1. Estadística fotónica
- El haz fotónico como proceso de Poisson.
- Desviaciones de la estadística poissoniana: haces super-poissoniano y sub-poissoniano.
- Distribución de probabilidad de una fuente térmica: la radiación del cuerpo negro y distribución de Bose-Einstein.
- Formas de agrupación de fotones en el haz luminoso.
- Degradación de la estadística fotónica por pérdidas.
- Distribución estadística asociada a la fotodetección (punto de vista semi-clásico).
- Teoría cuántica de la fotodetección.
2. Fotodetectores precursores
- Detectores termoeléctricos, piroeléctricos, neumáticos, bolómetros.
- El tubo fotomultiplicador (PMT).
3. Fotoconductores. Principios de funcionamiento, características, materiales, figuras de ruido, ruido, limitaciones, etc.
4. Fotodiodos PIN. Estructura, principios de funcionamiento, materiales, ruido, respuesta en frecuencia, circuito equivalente, ventajas e inconvenientes, etc.
5. Fotodiodos de avalancha (APDs). Estructura, principios de funcionamiento, factor de ganancia, modos de
funcionamiento, ruido, circuito equivalente, ventajas e inconvenientes, materiales, etc.
6. Estructuras metal-semiconductor. Contactos óhmicos, diodos Schottky, el fotodetector de barrera Schottky.
7. Fotomultiplicadores de Silicio (SiPMs)
7.1. Fundamentos
* Estructura básica, principios de funcionamiento, señal típica.
* Fenómeno de saturación.
* Ventajas e inconvenientes.
* Algunos detalles tecnológicos.
7.2. Características y fenómenos
* Eficiencia de fotodetección (PDE). Dependencias.
* Cuentas de oscuridad y ruido. Dependencias.
* Tiempo de recuperación. Dependencias.
* Fenómeno de entrecruzamiento (crosstalk). Dependencias.
* Fenómeno de pospulso (afterpulsing). Dependencias.
* Parámetros dependientes de la temperatura.
7.3. Modelado
* Modelado de un pixel del SiPM.
* Modelado del SiPM como estructura matricial.
7.4. Desarrollos recientes. El SiPM digital, arrays de SiPMs, otros fotodetectores de alta sensibilidad:
fotodetector híbrido (HPD), puntos cuánticos, fotodetectores basados en superconductividad, nanohilos,
upconversion, etc.
7.5. Reducción del tiempo muerto.
* Active quenching.
* Gated quenching.
* Problemas relacionados con las técnicas activas.
* Mejora del tiempo muerto y de la respuesta en frecuencia.
8. Algunas consideraciones experimentales. Modelos de SiPMs en el mercado, fuentes de luz e instrumentación disponible en el laboratorio, montaje experimental típico, análisis de una cadena de procesamiento (rango de linealidad del SiPM, caracterización de amplificadores, configuración de la cadena, etc.).
9. Discriminación de fotones individuales
- Obtención e interpretación del patrón SPC.
- Mejora del patrón SPC. Señales y patrones típicos.
- Figuras de mérito para la caracterización del patrón SPC.
- Modificaciones en el patrón SPC: análisis de dependencias.
- Voltaje de ruptura. Medida y dependencias.
- Ganancia intrínseca. Medida y dependencias.
- Fenómenos parásitos: darkcounts y crosstalk. Medida y dependencias.
- Estimación de eficiencia de fotodetección. Medida y dependencias.
11. Aplicaciones
- Aplicación en fluorescencia y medicina nuclear.
- Aplicación a la astronomía de rayos gamma.
- Aplicación a comunicaciones y criptografía cuántica.
12. Demostraciones experimentales
(parte presencial; 1 semana; 2-3 h/día; Laboratorio de Microondas, despacho 104.0, Facultad de Ciencias Físicas, ala oeste, 3ª planta, departamento de Física Aplicada III)
- Instrumentación del laboratorio. Generador de pulsos ultra-cortos. Fuentes de luz. Obtención de las fotoseñales de un PMT y de un SiPM.
- Determinación del rango dinámico del SiPM. Dependencia con el voltaje de polarización. Observación del fenómeno de saturación. Funcionamiento de un módulo SiPM integrado.
- Proceso de fabricación de una etapa amplificadora con tecnología de montaje superficial. Caracterización de la etapa amplificadora: obtención de parámetros S, medida del rango dinámico, medida de la figura de ruido.
- Obtención del patrón SPC con un PMT y con SiPMs de distinto tamaño. Mejora del patrón empleando acortador de fotopulso. Dependencias del patrón SPC con el voltaje de polarización, intensidad de iluminación y temperatura.
- Caracterización de patrones SPC de SiPMs de distinto tamaño. Obtención de curvas de caracterización de un SiPM.