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。     

红外InGaAs/InP单光子探测器暗计数的研究

在开发探测器灵敏度极限实现单光子探测时,暗计数是影响探测效率的主要原因.本文分析了在红外波段采用InGaAs/InP雪崩光电二极管工作于雪崩击穿电压之上(盖革模式),进行单光子探测时暗计数的三个主要来源,指出隧穿效应对暗计数的贡献是很小的,并且针对热噪声和后脉冲分析了减小暗计数的有效方法.     

相关光子定标的符合测量精度分析

采用355nm连续激光泵浦BBO晶体产生参量下转换效应,搭建了相关光子辐射定标实验装置,使用时间数字转换和时间幅度转换两种符合测量方法进行比对测量,定标了不同光子速率下雪崩光电二极管在737nm波段的探测效率,分析了在高光子计数率下死时间和后脉冲等因素对符合测量选取符合门宽和意外符合的影响,比较了不同光子计数速率的测量结果并分析符合测量的修正因素,修正后两种测量结果的相对偏差优于0.25%.采用时间间隔技术测量了不同光子计数率的后脉冲概率,为提高单光子探测器的计数精度和相关光子定标的精度提供依据.     

向长波方向发展的光子数分辨探测技术

研究了光子数分辨探测器技术发展的物理基础，技术现状和发展趋势．重点分析了目前能达到单光子分辨的发展中的三种探测技术：越界超导传感技术（superconducting transition-edge sensor），电荷积分单光子探测技术（charge integration photon detection）和雪崩光电二极管单光子分布探测技术（delayed single photon probability mapping based on avalanche photodiode），讨论了探测器的光子数分辨能力及其噪音来源．     

微光光子数字化摄象机

美国自适应光学联合公司(AOA)在哈佛大学 PAPA 探测器的基础上研制成功的光子数字化编址摄象机是一种具有极高探测灵敏度的光子计数式二维微光摄象机。采用多通道光学编码方法,可对光电倍增管探测到的每一个光电于事件产生相应的(x,y,T)时-空坐标数据,微机采集来自光子摄象机的数据流供实时图象显示和处理。     

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。     

Zn扩散对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管雪崩击穿概率的影响

对InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管进行结构设计与数值仿真，得到相应的电学与光学参数。针对雪崩击穿概率对器件光子探测效率的影响，研究了两次Zn扩散深度差、Zn扩散横向扩散因子、Zn掺杂浓度以及温度参数与器件雪崩击穿概率的关系。研究发现，当深扩散深度为2.3μm固定值时，浅扩散深度存在对应最佳目标值。浅扩散深度越深，相同过偏压条件下倍增区中心雪崩击穿概率越大，电场强度也会随之增加。当两次Zn扩散深度差小于0.6μm时，会发生倍增区外的非理想击穿，导致器件的暗计数增大。Zn扩散横向扩散因子越大，倍增区中心部分雪崩击穿概率越大，而倍增区边缘雪崩击穿概率会越小。在扩散深度不变的情况下，浅扩散Zn掺杂浓度对雪崩击穿概率无明显影响，但深扩散Zn掺杂浓度越高，相同过偏压条件下雪崩击穿概率越小。本文研究可为设计和研制高探测效率、低暗计数InGaAs/InP单光子雪崩光电二极管提供参考。     

双通道符合计数光子外差探测系统仿真构建与研究

本文提出将符合测量方法用于光子外差测速技术中,将光子符合计数模式应用于光子外差测速系统,能够在一定程度上减少背景噪声、暗噪声和后脉冲带来的光子误计数,提高信噪比等测速性能。基于外差原理与单光子探测的泊松响应,以及光子符合计数原理,本文仿真研究了双通道符合计数光子外差系统的性能,利用1550 nm连续波激光器探测匀速运动目标,结果表明,双通道符合计数模式下中频信号功率谱的信噪比明显高于单通道自由运行模式和一阶滤波下的功率谱信噪比。随着信号光子数增加,两种计数模式的信噪比能够相差2～3 dB。针对该方法,又进一步通过仿真研究了本振光强、背景噪声、中频频率、探测时长四个因素对双通道符合计数光子外差测速系统性能的影响。结果表明,随着本振光强与信号光强的比值逐渐增大,系统信噪比先增大后减小,在kL=3附近时达到最大;背景噪声越大,饱和信号光子数越大,饱和信噪比越低;探测时长越长,饱和信噪比提高幅度越大;而在探测带宽之内,中频频率也即运动目标的速度对结果影响较小。本文从改变前端光子计数模式的角度提高光子外差探测系统的性能,为提高光子外差测速的信噪比拓宽了思路。     

用于红外单光子探测的雪崩光电二极管传输线抑制电路模型的理论分析

结合利用雪崩光电二极管(APD)进行红外单光子探测电路模型的工作原理和特点以及传输线瞬态电脉冲产生的过程,提出了将传输线瞬态过程脉冲发生电路模型用于APD雪崩抑制的一种新方法,该方法可以实现利用APD门模工作方式进行红外单光子探测的过程.主要从理论上计算了红外单光子信号入射APD时,传输线脉冲发生电路模型中负载电阻输出电脉冲的特点,讨论了传输线终端不同边界条件对输出电脉冲的影响,通过理论计算确定了这种利用APD进行红外单光子探测新模型的电路结构与参数,证明了该电路模型用于红外单光子探测APD门模工作方式的 关键词： 红外单光子探测技术 雪崩光电二极管(APD) 抑制电路 传输线瞬态过程     

高探测效率CMOS单光子雪崩二极管器件

基于标准0.35μm CMOS工艺设计了一种单光子雪崩二极管器件.采用p+n阱型二极管结构,同时引进保护环与深n阱结构以提高单光子雪崩二极管性能;研究了扩散n阱保护环宽度对雪崩击穿特性的影响;对器件的电场分布、击穿特性、光子探测效率、频率响应等特性进行了分析.仿真结果表明:所设计的单光子雪崩二极管器件结构直径为10μm,扩散n阱保护环宽度为1μm时,雪崩击穿电压为13.2 V,3 dB带宽可达1.6 GHz;过偏压为1 V、2 V时最大探测效率分别高达52%和55%;在波长500~800 nm之间器件响应度较好,波长为680 nm时单位响应度峰值高达0.45 A/W.     

The analysis of the integral gated mode single photon detector

This paper critically analyses and simulates the circuit configuration of the integral gated mode single photon detector which is proposed for eliminating the transient spikes problem of conventional gated mode single photon detector. The relationship between the values of the circuit elements and the effect of transient spikes cancellation has been obtained. With particular emphasis, the bias voltage of the avalanche photodiode and the output signal voltage of the integrator have been calculated. The obtained analysis results indicate that the output signal voltage of the integrator only relates to the total quantity of electricity of the avalanche charges by choosing the correct values of the circuit elements and integral time interval. These results can be used to optimize the performance of single photon detectors and provide guides for the design of single photon detectors.     

Internal cancellation of spikes using two avalanche photodiodes in series for single photon detection

<正>We propose a method of improving the performance of InGaAs/InP avalanche photodiodes by using two avalanche photodiodes in series as single photon detectors for 1550-nm wavelength.In this method,the raw single photon avalanche signals are not attenuated,thus a high signal-to-noise ratio can be obtained compared with the existing results.The performance of the scheme is investigated and the ratio of the dark count rate to the detection efficiency is obtained to be 1.3×10~(-4) at 213 K.     

单分子光子源光子统计的非平衡探测

研究了在Hanbury Brown Twiss探测方式下，非平衡探测系统对光子统计测量的影响。通过记录2个单光子计数器响应的单分子光子源输出的每一个事件，分析具有泊松统计背景的实际单分子光子源的光子统计特性，讨论并给出了非平衡探测系统的单分子光子源Mandel参数。研究表明：非理想的50／50分束器、非理想的线性传输效率和非理想的探测器都会使单分子光子源Mandel参数的实际测量结果小于平衡系统的Mandel参数，最后给出了单分子光子源Mandel参数的非理想探测的校正表达式。     

Development of MPPC

For fine segmented scintillator calorimeter, we need semiconductor-based photon sensor. Progress for MPPC which is developed in Japan is presented. One of the results which is relevant to photon detection efficiency indicates promising future of MPPC. However, further development is required for the dynamic range and operating voltage value.      

光子计数成像研究

从APD阵列的响应特性出发,利用随机点的统计学描述,建立了光子计数成像的一维点过程数学模型。通过对光子事件发生时间统计特性的描述,分析了光子密度、门控时间、雪崩光电二极管恢复时间等因素对光子计数成像质量的影响。并采用蒙特卡罗方法,对近红外波段不同光子密度条件下多种计数间隔的成像质量进行了仿真,给出了仿真结果。     

Detailed calibration of the PI-LCX:1300 high performance single photon counting hard x-ray CCD camera

X-ray charge-coupled-device(CCD) camera working in single photon counting mode is a type of x-ray spectrometer with high-sensitivity and superior signal-to-noise performance. In this study, two single photon counting CCD cameras with the same mode(model: PI-LCX: 1300) are calibrated with quasi-monochromatic x-rays from radioactive sources and a conventional x-ray tube. The details of the CCD response to x-rays are analyzed by using a computer program of multi-pixel analyzing and event-distinguishing capability. The detection efficiency, energy resolution, fraction of multi-pixel events each as a function of x-ray energy, and consistence of two CCD cameras are obtained. The calibrated detection efficiency is consistent with the detection efficiency from Monte Carlo calculations with XOP program. When the multi-pixel event analysis is applied, the CCDs may be used to measure x-rays up to 60 ke V with good energy resolution(E /?E ≈ 100 at60 ke V). The difference in detection efficiency between two CCD cameras is small(5.6% at 5.89 ke V), but the difference in fraction of the single pixel event between them is much larger(25% at 8.04 ke V). The obtained small relative error of detection efficiency(2.4% at 5.89 ke V) makes the high accurate measurement of x-ray yield possible in the laser plasma interaction studies. Based on the discrete calibration results, the calculated detection efficiency with XOP can be used for the whole range of 5 ke V–30 ke V.     

同轴电缆反射方案单光子探测器的特性研究

分析了用于消除门控单光子探测器电尖峰噪声的同轴电缆反射方案的特性.重点分析了该方案中,雪崩光电二极管的偏置电压和输出信号的变化特性.根据理论分析的结果,给出了不同的单光子信号与两个门控脉冲的时序关系的确定依据,以及该方案对电尖峰噪声的消除效果,同时给出了探测系统的最小探测周期.并对理论分析的结果进行了实验验证,实验中测得尖峰噪声的抑制比为25.1dB,实验结果与理论分析相符.这些分析结果将有助于红外单光子探测器的设计和性能的优化.     

计数率和分辨时间对光场统计性质测量的影响——单探测器直接测量的实验分析

利用工作在盖革(Geiger)模式下的单光子探测器(single-photon-counting module, SPCM)，采取单个探测器直接对光子计数的方法，对相干光场及热光场的光子数统计性质进行了测量和分析. 通过改变计数率，调整分辨时间，系统地研究了光场二阶相干度测量值受实验条件的影响. 结果表明，在综合考虑系统中的各种因素对测量影响的情况下，通过选择合适的测试条件，可以利用单个单光子探测器直接探测的方法快速确定一个待测光场的二阶相干度. 实验表明在实测计数率为109 kc/s，分辨时间范围为2⁸ns—2¹²ns的条件下，该系统能很好地揭示相干光场和热光场的光子统计性质. 关键词： 光子统计 单光子探测器 二阶相干度     

Detection efficiency characteristics of free-running In Ga As/In P single photon detector using passive quenching active reset IC

In Ga As/In P avalanche photodiodes(APD) are rarely used in a free-running regime for near-infrared single photon detection. In order to overcome the detrimental afterpulsing, we demonstrate a passive quenching active reset integrated circuit. Taking advantage of the inherent fast passive quenching process and active reset to reduce reset time, the integrated circuit is useful for reducing afterpulses and is also area-efficient. We investigate the free-running single photon detector's afterpulsing effect, de-trapping time, dark count rate, and photon detection efficiency, and also compare with gated regime operation. After correction for deadtime and afterpulse, we find that the passive quenching active reset free-running single photon detector's performance is consistent with gated operation.