基于探测器模型的MPPC标定方法

探测器的光子数分辨能力是精确描述多光子态的突破口,近年来受到广泛的关注。光子数可分辨探测器有望被进一步应用于量子光学基础研究、量子成像、量子计算、量子通讯以及远距离激光测距等领域。基于空间复用原理的多像素光子计数器具有常温下稳定高效的光子数可分辨探测能力,加上尺寸和成本上的优势使得它成为光子数可分辨探测应用的首选。针对多像素光子计数器,我们通过建模给出了能描述探测器量子特性的标准矫正方法,系统地考虑了探测器量子效率、噪声、各像素点感光面的光子入射效率对量子特性的影响,给出了不同光子数态的正定算子估值测量和魏格纳函数。     

利用多像素光子计数器的光学串话效应提高光子探测效率

通过分析多像素光子计数器(MPPC)的工作原理和其光学串话(OC)效应的特点,提出在使用MPPC输出雪崩信号的幅度或电荷量作为光子计数的参量时,利用MPPC的OC效应能提高MPPC的光子探测效率的观点,并从理论上分析了OC效应对光子探测效率的影响。理论分析结果显示,在这两种光子计数模式下,利用OC效应能明显提高MPPC的光子探测效率。利用本文模型计算得出当MPPC的雪崩单元数M为1 600个,忽略OC效应时的光子探测效率等于30%,光学串话概率等于50%,以及单脉冲入射光子数均值为10时,包含OC效应影响的等效光子探测效率可提高50%,达45%左右。该结果对MPPC在天体物理、粒子物理、荧光光谱探测等弱光探测场合的应用有一定指导意义。     

激光拍频信号光子到达时间间隔特性分析

为了得到周期激光拍频信号的频率,从理论上推导了光信号相邻光子到达时间间隔满足的概率密度函数(PDF),以数值计算为基础,对周期性激光拍频信号进行详细分析,得到了稳定光强信号和周期拍频信号光子到达时间间隔PDF曲线形状的差别,从该差别中能够获取信号的拍频频率。设计了验证实验光路系统,采用多像素光子计数器(MPPC)记录光子时间,对6、8、10、12MHz拍频信号进行探测,证明了理论分析的正确性。在光子计数频率为拍频频率1/5的条件下,得到较好的实验结果,估计两光束混合效率为0.65。以暗计数噪声为限制条件,分析了该方法能够探测到的最小拍频频率为0.2333MHz。     

光子计数器的线性测量和修正

依据自发参量下转换过程中泵浦光功率和相关光子的线性关系,搭建了光子计数器线性测量实验装置,分析了光子计数器非线性误差产生的机理,探讨其线性应用条件和修正方法.通过调节泵浦光功率改变入射至光子计数器的相关光子速率,实现了光子计数器线性的测量,并对实验测量值进行了修正.结果表明,通过线性测量和修正可以提高单光子计数器测量准确度,降低光子计数器的非线性误差,其入射光子速率最大线性工作范围可由10~5s~(-1)扩大到10~7s~(-1).     

半导体上转换单光子探测技术研究进展

近年来,量子通信技术取得了卓越的进步和发展,而作为接收端的单光子探测器在其通信系统中则起着至关重要的作用.本文聚焦于当前主流的半导体单光子探测器,就其器件原理、工作模式、优势和劣势等方面进行了相关评述.在此基础上,着重介绍了本课题组所提出的一种新型半导体近红外上转换单光子探测技术（USPD）的研究进展.从USPD的器件基本原理、器件结构、性能指标等方面阐述了其优越性和可行性,并给出了USPD最新的空间光耦合实验结果.半导体上转换单光子探测技术的关键特性在于它不是采用InP雪崩层结构实现信号的放大,而是利用成熟的硅单光子雪崩二极管（Si-SPAD）器件来实现信号的放大和采集,从而规避InP结构在暗计数率和后脉冲效应方面的问题.USPD利用半导体材料,通过外加电场将近红外光子上转换为短波近红外或者可见光子,再用商用Si-SPAD进行探测的方法,也为我们提供了一种单光子探测的新思路,打开了另一扇单光子探测的窗口.     

一种基于单磁通量子的超导纳米线单光子探测器阵列的读出电路

超导纳米线单光子探测(Superconducting Nanowire Single Photon Detector, SNSPD)阵列可以实现单光子成像或高速单光子探测,如何有效对SNSPD阵列进行信号读出是实现SNSPD阵列的关键技术之一,本工作设计了一种基于超导单磁通量子(Single Flux Quantum, SFQ)的SNSPD阵列读出电路,该读出电路能够实现对阵列中SNSPD的地址分频,实验采用的核心编码电路利用4位二进制码对包含8个SNSPD的阵列进行编码,使用了基于SFQ的异或逻辑单元、D触发器、分路器和约瑟夫森传输线等标准单元,总计使用191个约瑟夫森结,采用两级流水线设计,仿真中最高可在19.4GH2的时钟频率下工作,功耗为42.1μW,在液氦环境下完成了编码电路的功能测试,验证了编码功能的正确性。     

二维多色阵列产生及控制

基于超短脉冲非线性传输过程的空间分裂和级联非共线二阶非线性过程,可以在二阶非线性介质中直接产生二维多色阵列。所形成的二维瞬态光栅可以利用同步注入的超连续白光进行探测,并实现二维多色阵列上转换放大。利用相对强度很弱的二次谐波,可以对二维多色阵列及其上转换放大进行有效控制。     

红外光电探测技术研究现状及展望(特邀)

红外探测技术在激光测距、成像、遥感、夜视等领域有重要应用,降低红外光电探测器的尺寸、重量、功耗和成本,以及提高探测器的性能是目前的研究重点。本文综述了红外探测器技术的发展历程、工作原理及研究现状并对其未来发展方向进行了展望。内容主要涵盖基于碲镉汞、Ⅱ类超晶格、量子阱、量子点、硅基锗锡等材料的光子型红外光电探测器及其阵列。红外系统成本降低最终取决于在常温条件下耗尽电流限探测器阵列像素密度是否与系统光学元件的背景极限和衍射极限性能匹配,选择HgCdTe、Ⅱ类超晶格和胶体量子点等材料可提高光子探测器室温性能。各种红外探测器在性能方面各具特色,在实际应用中互为补充。     

CMOS阵列响应过程中的电串扰特性研究

在利用CMOS阵列探测器成像时,探测阵列单元间的串扰将直接影响器件成像质量。为了更好地了解串扰对器件响应过程的影响,针对CMOS图像传感器的电串扰特性进行了分析,建立了电串扰数学分析模型,对电串扰的大小进行了定量计算。具体分析了不同扩散长度、感光面积、耗尽层宽度、像素尺寸和温度对电串扰的影响。分析结果表明,感光面积、耗尽层宽度与像素尺寸对电串扰的影响最大,扩散长度和温度对电串扰的影响相对较小。感光面积由3.8μm2增加到12.8μm2后,归一化的电串扰减小了约13%;像素尺寸由7μm×7μm增加为15μm×15μm时,电串扰增加了约95.4%;温度由100K增加到180K后,电串扰下降了约0.6%。     

CCD与CMOS像素传感器γ射线电离辐射响应特性对比研究

为了研究CCD与CMOS像素传感器对γ射线电离辐射的响应差异,对比研究了4类像素传感器的结构特点和辐射响应特性。通过辐射实验,对各传感器在不同辐射水平条件下的光子响应事件分布、平均灰度值以及典型光子响应事件进行研究。研究结果表明：光子响应程度均与辐射剂量率相关;CCD像素传感器的沟道传输方式使每列像元间的辐射响应更容易相互干扰;平均灰度值随剂量率的增大存在明显的梯度,各积分周期内输出信号灰度值围绕均值上下波动,CCD像素传感器输出信号灰度浮动范围较小;CMOS像素传感器各像元对光子的响应更加明显,CCD像素传感器各像元的响应信号易与相邻像元发生串扰;各类像素传感器典型辐射响应事件区域中发生光子响应的像元数量随剂量率的增大而增多,响应事件并非单个光子的行为,而是反映了多个光子在区域内同时沉积能量的过程。本研究为开发像素传感器的γ射线辐射探测技术和应用提供了重要的理论分析和实验数据支撑。     

光子计数模式下的目标探测与成像

 当光微弱到以单个光子发射时,成像系统只有利用光子计数模式才能探测到单光子信息。采用基于碰撞电离效应的全固态雪崩光电二极管作为探测元件,构成微光环境下的光子计数成像实验系统。该系统的硬件主要由雪崩光电二极管构成的单光子计数器、计算机、微光照度计、2维电控导轨、控制器、暗箱等组成。控制器的软件在Altera公司Quartus环境下设计,主要完成导轨运动的控制;上位机软件采用VC++编程实现系统的数据采集处理、系统功能控制和光子计数图像显示等。该系统为全固态结构,工作电压小于35 V,暗计数率小于4 Hz。所建光子计数成像系统在10－5 lx微光环境下实现了目标的探测成像。     

闪烁计数器阵列定位系统

该闪烁计数器阵列定位系统,即闪烁计数器描迹仪,不但可以确定带电粒子通过的位置,还可以用做触发计数器。在用做触发计数器时,它还具有选择落入该阵列的带电粒子数目的能力。该描迹仪为8×8闪烁计数器阵列,每条闪烁体（ST401型）为40×5×0.6cm³。配用GDB50光电倍增管。阵列面积为40×40cm²。我们自制了快电子学系统和数据读取系统,在与微处理机联试过程中,工作稳定可靠。造价低廉。     

雪崩光电二极管的雪崩发光串扰研究

在使用时间关联单光子计数的量子保密通信、量子密码术等量子光学领域中,雪崩光电二极管(APD)拥有广泛的应用。然而在其工作过程中,吸收层接收到光子形成载流子,载流子个数在倍增层进行指数型增益,每个载流子通过P-N结结点均有一定概率发出光子,发出的光子在一定条件下会串扰进入另一个雪崩二极管。在盖革模式下进行单光子探测时,这种串扰光子会严重影响时间关联单光子计数的实验结果。研究了APD雪崩原理,实验中做出了串扰峰对比度比较高的现象,分析了影响串扰峰间距和形状的因素,提出通过光隔离规避串扰现象,并通过实验验证了这种避免串扰方法的可行性。     

用于LiDAR的16×1列阵CMOS单光子TOF图像传感器

设计了一款用于激光雷达的CMOS单光子飞行时间图像传感器.该传感器集成了16个结构优化的单光子雪崩二极管像素和一个双计数器结构的13-bit时间数字转换器电路.每个像素单元包括一个新型的主动淬灭-恢复电路.该设计通过优化器件的保护环来降低器件的暗噪声;带有反馈回路的主动淬灭-恢复电路用于降低死时间;时间数字转换器采用双计数器结构来避免计数器的亚稳态导致的计数错误.基于CMOS 180nm标准工艺制作了该传感器.测试结果表明:在1V的过偏压下,单光子雪崩二极管列阵的中值暗计数率为8kHz;在550nm波长光照下探测效率最高,为18%;设计的主动淬灭-恢复电路将死时间有效降低至8ns;时间数字转换器的分辨率为416ps,帮助整个系统实现厘米级距离分辨率.该传感器在0.5m距离下实现了空间分辨率为320×160的深度图像,其测距的最大非线性误差为1.9%,准确度为3.8%.     

单光子探测三维点云与可见光图像融合处理算法研究

为了提升光电系统对于目标的探测识别能力,实现单光子探测三维点云数据和二维可见光图像的融合处理,提出了单光子探测成像系统的融合处理算法,采用直接线性变换方法并利用同名特征点的选取和间接平差算法解决了融合处理过程中的参数标定问题。通过实验数据进行融合处理算法验证,实现了分辨率1024×768像素单光子探测三维点云和二维可见光图像的像素级融合处理。实验结果表明,提出的融合处理算法能够有效实现三维、二维图像的融合。     

北京谱仪μ计数器的宇宙线数据分析

通过分析北京谱仪μ计数器的宇宙线实验数据,确定了μ计数器阵列的整体信号-噪声阈,单丝层探测效率,粒子探测效率,z向和γ-φ平面上的定位精度;并将实验数据与蒙特卡洛模拟计算作了比较,两者的一致性令人满意     

北京谱仪μ计数器的宇宙线数据分析

通过分析北京谱仪μ计数器的宇宙线实验数据,确定了μ计数器阵列的整体信号-噪声阈,单丝层探测效率,粒子探测效率,z向和γ-φ平面上的定位精度;并将实验数据与蒙特卡洛模拟计算作了比较,两者的一致性令人满意.     

固态图像传感器的电离辐射响应均匀性

研究并对比了6类电荷耦合器件和互补金属氧化物半导体图像传感器的辐射响应均匀性。设计辐射实验,对像素阵列中响应信号在不同统计区域内的像素值增量平均值和非均匀度进行分析与讨论,重点研究了各类固态图像传感器像素阵列全局、区域和代表像元的辐射响应均匀性。实验结果表明:在稳态γ射线辐射场辐照条件下,帧图像中的响应信号增量并非固定值;像素阵列各区域内响应信号的均匀性不因辐照剂量率的变化而变化,对于相同的图像传感器,辐射在任意帧图像中产生辐射响应信号的分布与像素阵列中任意像素在多帧图像中出现辐射响应的分布相同,但由于传感器的本底噪声存在差异,单个像元、区域像素的统计结果与全局存在偏差。本研究为提高基于图像传感器的γ射线辐射探测技术,实现无遮光条件下在线辐射探测提供了理论依据和数据支持。     

以光子计数技术为基础的极低照度测量

微照度计的测量灵敏度通常限于1×10~(-6)lx水平,这在许多场合都不能满足要求。但只要确定了光通量与光子速率之间的内在联系,利用光子计数器和微照度计的结合,就可以把微照度的测量灵敏度提高到1×10~(-10)lx水平。文中导出了光通量与光子速率的理论计算公式;介绍了极低照度测量实验系统;并根据光子计数器的时间分辨率和光子的泊松分布以及暗记数水平,分别分析了微照度测量的上、下限范围。     

基于光参量变频与放大的高灵敏红外成像技术

针对可用于微弱红外图像探测的光学参量变频与增强技术,进行了仿真与实验探索.针对高增益光参量放大器(OPA)过程中的参量荧光背景噪声,提出了基于外接圆模型的空间滤波技术,通过仿真优化设计,利用空域、频域滤波与像传递系统相结合的方法,将参量荧光背景的抑制比例超过70%,其增强后的成像质量较之前有明显改善,峰值信噪比提升22%.基于10 Hz,355 nm的大能量皮秒紫外抽运激光,实现了红外波段到可见光波段的参量频率上转换,得到了超过1.3×108(82 d B)的光学图像增益.实验结果表明,采用高增益OPA作为光学预放大级之后,常规非制冷电荷耦合器件可实现微弱红外成像的有效探测,灵敏度可达每像素7.4个光子.该方案有望用于单光子级高灵敏红外成像场合.