Fotonbrus

Fotonbrus är en grundläggande källa till osäkerhet i optiska mätningar som uppstår eftersom fotoner är enskilda, diskreta enheter som når en detektor vid slumpmässiga tidpunkter. Det begränsar precisionen i ljussignaler och är en inneboende egenskap hos ljuskällor och ljudetektorer.

Statistiskt följer antalet registrerade fotoner i en given tidsperiod en Poisson-fördelning. Om medelantalet fotoner är N, är variansen också N och standardavvikelsen är sqrt(N). Den relativa osäkerheten är därmed 1/sqrt(N). Om detektorns kvantiska effektivitet är η är antalet registrerade elektroner N_e = ηN, och fotonbruset skalar med sqrt(N_e). I praktiken är fotonbrus en fundamental begränsning vid signaler där andra bruskällor är små.

Fotonbrus uppträder i princip som vitt brus över detektorns bandbredd, dvs. dess kraftspektala densitet är ungefär konstant upp till systemets bandbredd. Det är oberoende av andra bruskällor men blir dominerande när fotonflödet är tillräckligt högt för att elektroniskt brus och mörkströmsbrus ska vara små i jämförelse.

Användningsområden och betydelse: fotonbrus är centralt inom astronomi, fluorescensmikroskopi, kvantoptik och fotografi där målet är shot-noisebegränsad prestanda. Förbättringar handlar om att öka antalet registrerade fotoner eller förbättra kvantisk effektivitet, inte om att helt eliminera bruset eftersom det är inneboende.

Historik: begreppet kopplas till shot noise i elektronrör som studerades av Schottky på 1920-talet och har sedan dess tillämpats på fotonflöden i optik.