Time-gated single-photon counting instrumentation and applications

In the last years, an increasing number of applications require the use of photodetectors able to acquire fast and weak light signals, down to the single-photon level. For this purpose, Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs) can be successfully employed, achieving high detection efficiency with low noise and high timing resolution. Another advantage of a SPAD detector is the possibility of turning it ON and OFF very quickly and efficiently. This gating technique is useful to perform a time selection of incoming photons, for example in cases where a filtering based on light wavelength or polarization is not possible. Moreover, the gated-mode operation can also be used to reduce the effect of Dark Count Rate (DCR) and afterpulsing contributions, improving the signal-to-noise ratio of the measurement. The PhD research activity aimed to develop new electronic instrumentation for time-gating SPAD detectors, starting from a single-pixel photon counting module with gating transitions shorter than 200 ps and repetition rates up to 100 MHz and moving towards more advanced systems. The developed instruments were exploited in different applications, like time-resolved diffuse optical spectroscopy, fluorescence life-time microscopy and ultrafast time-of-flight imaging. These exploitations were carried on in collaboration with world-leader research groups, looking for new application-specific improvements in order to achieve the best performance from time-gated SPAD instruments.

Negli ultimi anni, un crescente numero di applicazioni richiede l’impiego di rivelatori capaci di acquisire segnali luminosi estremamente veloci e deboli, spesso al livello dei singoli fotoni. A questi requisiti possono efficacemente rispondere i dispositivi Single-Photon Avalanche Diodes (SPADs), essendo in grado di ottenere una buona efficienza di fotorivelazione, con basso rumore ed elevata risoluzione temporale. Un altro vantaggio degli SPAD è la loro possibilità di transire tra gli stati di accensione e spegnimento in modo estremamente veloce ed efficiente (gated-mode). Questa caratteristica si rivela molto utile nei casi in cui si debba effettuare un filtraggio temporale dei fotoni in arrivo, ad esempio quando una selezione basata sulla loro lunghezza d’onda o polarizzazione non risulti fattibile. Inoltre, il funzionamento in gated-mode può essere utilizzato al fine di ridurre il contributo di rumore (dark count rate) e afterpulsing di uno SPAD, aumentando così il rapporto segnale-rumore della misura effettuata. Gli scopi di questo dottorato di ricerca sono stati lo sviluppo e la caratterizzazione di strumentazione elettronica per l’abilitazione in gated-mode di fotorivelatori SPAD, partendo dalla realizzazione di un modulo per il conteggio di singoli fotoni con tempi di transizione (ON-OFF) inferiori ai 200 ps e frequenza di funzionamento maggiore di 100 MHz, arrivando poi a sistemi ancora più complessi. La strumentazione sviluppata è stata utilizzata con successo in diverse ambiti, come spettroscopia dei mezzi diffondenti, microscopia a fluorescenza e imaging 3D. Parte di queste attività sono state svolte in stretta collaborazione con gruppi di ricerca internazionali, puntando a continui perfezionamenti e nuove soluzioni al fine di ottenere le migliori prestazioni dai sistemi di rivelazione realizzati, adattandoli costantemente alle diverse applicazioni.