基于APD线列的单光子探测计数研究

单光子探测系统可以对单个光子进行探测;探测系统含有探测部分、淬灭电路部分和计数部分;探测部分主要由工作在盖革模式下的雪崩光电二极管组成;在盖革模式下的雪崩光电二极管发生雪崩后不能自然停止,淬灭部分主要为了主动抑制雪崩电流,快速降低雪崩电压,以达到提高探测效率,降低错误计数的目的;APD线列产生多个光子脉冲信号,计数部分的主要功能是对多路光子脉冲信号进行计数、显示并且可以控制每路APD的比较电压,保证每路APD淬灭电路的正常工作。     

高时间稳定性的雪崩光电二极管单光子探测器

雪崩光电二极管单光子探测器是一种具有超高灵敏度的光电探测器件,在远距离激光测距、激光成像和量子通信等领域有非常重要的应用.然而,由于雪崩光电二极管单光子探测器的雪崩点对工作温度高度敏感,因此在外场环境下工作时容易出现增益波动,继而导致单光子探测器输出信号的延时发生漂移,严重降低了探测器的时间稳定性.本文发展了一种稳定输出延时的方法,采用嵌入式系统控制雪崩光电二极管,使其处于恒定温度,并实时补偿由环境温度引起的延时漂移,实现了雪崩光电二极管单光子探测器的高时间稳定性探测.实验中,环境温度从16 ℃变化到36 ℃,雪崩光电二极管的工作温度稳定在15 ℃,经过延时补偿,雪崩光电二极管单光子探测器输出延时漂移小于±1 ps,时间稳定度达到0.15 ps@100 s.这项工作有望为全天候野外条件和空间极端条件下的高精度单光子探测应用提供有效的解决方法.     

近红外单光子探测

随着以单个光子作为信息载体的量子通信和量子加密技术的兴起,近红外单光子探测技术受到了广泛关注.近红外单光子探测系统具有极高的灵敏度,所以它还可以胜任探测其它近红外波段微弱光信号的任务.半导体雪崩光电二极管是当前最成熟的近红外单光子探测系统的核心元器件;文章阐明了雪崩光电二极管的暗电流和击穿电压对单光子探测的影响,同时还讨论了工作温度、直流偏置、门信号性质和计数阈值等系统参数之间相互制约的关系.     

基于FPGA的单光子雪崩光电二极管的标定系统

目前单光子雪崩光电二极管的标定系统主要是通过分立的通用测试仪器搭建而成。由于单光子雪崩光电二极管的工作模式存在多样化的特点,因此使用该方法搭建的标定系统具有缺乏兼容性、复杂度高、集成化程度低等不足。针对这些问题,本文发展了一种基于现场可编程门阵列的,可以兼容各种雪崩抑制模式的,高度集成化的多种材料体系器件兼容的单光子雪崩光电二极管标定系统。该系统使用现场可编程门阵列替代函数发生器、脉冲产生器和计数器等仪器设备,并利用现场可编程门阵列实现不同雪崩抑制模式下雪崩光电二极管的驱动电路和标定光源的智能切换,从而大幅提高了系统的兼容性和集成化程度,也进一步降低了系统的复杂度、提高了系统的稳定度。文中,我们利用该系统对工作在主动抑制模式的硅雪崩光电二极管和门控盖革模式的铟镓砷/铟磷雪崩光电二极管进行了标定实验。标定结果显示所标定的硅雪崩光电二极管的最大探测效率为49.82%,对应暗计数为1.41kHz;铟镓砷/铟磷雪崩光电二极管的最大探测效率为7.14%,对应暗计数为831 Hz,在探测效率为5%时,后脉冲的概率为5.84%。实验结果表明,我们为单光子雪崩光电二极管标定提供了一种便捷的一体化解决方案,提高了单光子雪崩光电二极管的标定效率和标定系统的实用化程度。     

量子通信中单光子探测器的实验研究

为了提高单光子探测系统的灵敏度,实验采用InGaAs/InP雪崩光电二极管作为量子通信中的单光子探测器件,以门控脉冲模式实现了更高精度的单光子探测器的偏压生成电路、单光子信号放大电路、单光子信号检测电路和温度控制模块,并通过选用高精度前置放大器OP37和精密比较器AD8561,将量子效率提高到18.3%,暗计数控制小于4.1%×10~(-6)/ns.     

在高于253 K温度下的1550 nm波长单光子探测实验

介绍了在高于253 K的温度下，实现红外单光子探测的实验.选用拉通电压较高的雪崩光电二极管（APD），设计制作了非线性限流技术保护高温工作的APD，利用半导体热电制冷器，在256.8K的温度下，实现了1550 nm波段的单光子探测实验.单光子探测的暗记数率为3.13×10－5 ns，在220 kHz/s的单光子脉冲速率下，探测效率为2.08%.     

显微光子计数成像系统及其应用

光子计数成像系统可以探测生物超微弱发光,但是只能探测生物的宏观图像,若要深入到细胞、分子水平,必须有显微光子计数成像系统。二者的区别类于显微光子计数成像系统是噪声受限系统。本文报道的显微光子计数成像系统,采用＾１４Ｃ同位素光源来监测系统的状态,保证实现极限探测。该系统可以用来研究痕量生物分子的分布和功能,显示钙离子在细胞内外的分布,活性氧、基因表达的监测等。由单光子到单分子、组织学图像到功能图像的     

单光子雪崩二极管的死时间效应分析

单光子雪崩二极管是一种采用盖革模式的单光子探测器件。一旦触发后探测器需要一段时间来重启,重启之后才能进行下一个光子事件的探测。重启所用时间(也叫死时间)的大小会影响探测器的光子计数分布。对单光子雪崩二极管的工作方式进行了数学建模,研究死时间对探测器输出响应的影响,推导出了在入射光子数服从泊松分布情况下探测器光子计数值的概率分布函数,并采用蒙特卡洛仿真进行了验证。结果表明死时间会使探测器输出的光子计数值减小,其分布会更加集中,并且死时间越大,入射光子速率越高,这种效应就越明显。     

基于APD单光子探测器的光子到达时间标记精度研究EI北大核心CSCD

为了准确测量X射线脉冲星导航中的光子到达时间,提出了一种X射线探测器光子到达时间精度的测试系统,该系统主要由脉冲X射线发生器、任意波形发生器、雪崩光电二极管探测器和时间标记光子计数器组成。系统测量脉冲X射线发生器的控制脉冲信号与雪崩光电二极管探测器测量的输出信号之间的时间延迟,研究时间延迟的分布情况,该分布的标准差可以反映被测探测器的光子到达时间测量精度。实验结果显示,雪崩光电二极管探测器输出信号相比控制信号的时间延迟约9.03 ns,标准差为2.23 ns,即雪崩光电二极管探测器的光子到达时间精度为2.23 ns,表明其能够实现对X射线单光子的快时间响应与高精度标记。     

基于热敏超导边界转变传感的单光子探测技术

单光子探测是实现光量子信息处理的关键技术之一。基于热敏超导边界转变传感的单光子探测技术以其独有的极低的暗计数率、极高的量子探测效率和极强的光子数分辨能力而倍受关注。对比于其他的几种单光子探测技术,如光电倍增管、工作于盖革模式的雪崩二极管和超导纳米线等,本文将从其探测原理、实验样品制备和信号采集处理方法等方面出发,对基于热敏超导边界转变传感单光子探测技术研究的历史、现状进行综述,进而展望其未来可能的发展。     

Single-photon time response of reach-through APD

Time response of avalanche photodiode (APD) is very important in photon counting systems, and there are many models for circuit simulation. But these studies generally based on the carrier rate equations of steady-state condition, disagree with the single-photon-indicate condition. In this paper, a time response function based on an integration of APD’s sub-domain carriers for reach-through APD arising from a single photo-carrier is derived. The analytical results are shown to be in good accord with experimental results.     

基于超导纳米线单光子探测器深空激光通信模型及误码率研究

高速深空通信是深空探测的关键技术之一,具备单光子灵敏度的激光通信系统将大大提高现有的深空通信速度.然而,单光子条件下的激光通信不仅需要考虑传输环境的影响,还需要考虑实际单光子探测器性能和光子数量子态的分布.本文在不考虑大气湍流影响的情况下,以光电探测模型为基础,引入超导纳米线单光子探测器(SNSPD)系统的探测效率和暗计数,建立了反应系统差错性能的数学模型,提出了系统误码率的计算公式.先对公式中的光强和激光脉冲重复频率对误码率的影响进行仿真,再通过实验结果验证仿真模型.结果表明,光强对误码率的影响最明显,随着光强从0.01光子/脉冲到1000光子/脉冲的增加,误码率从10~(-1)到10~(-7)量级明显下降;激光脉冲重复频率对误码率的影响受到不同光强的制约,但都随着脉冲重复频率的增加呈下降趋势.与此同时,当增加光强或者提高速度时,误码率高于仿真结果,约在10~(-4)量级,其原因可能是实际通信中调制光信号的消光比不足和光纤引入背景噪声提高了系统暗计数.以上模型和实验结果为进一步开展基于SNSPD的月球-地球、火星-地球等高速深空激光通信奠定了基础.     

紫外单光子成像系统的研究

搭建了紫外单光子成像系统,详细介绍了该系统的组成、工作原理和分辨率性能测试.由汞灯发出的紫外光经过大气散射、多块减光片得到了紫外单光子流.单光子直接打在微通道板上,微通道板产生的倍增电子由楔条形阳极收集,电荷灵敏前置放大器将阳极输出的电荷信号转变为电压信号,主放大器对前放信号进行滤波整形.利用高速数据采集卡连续采集主放大器的输出波形,通过软件对采集波形进行处理,采用图像处理技术得到了紫外单光子10min的计数图像,并对图像进行了畸变校正.此外,通过自己设计的分辨率板,测得该系统的分辨率可达150μm.该系统在极微弱光探测成像,生物发光,空间环境探测等方面具有广泛应用. 关键词： 单光子计数成像 阳极探测器 楔条形阳极 分辨率     

单光子探测器APD无源抑制特性研究

为了选择高性能单光子探测器件，采用无源抑制方法对工作在盖革模式下的雪崩光电二极管（APD: avalanche photodiode）特性进行了测量。利用APD两端的电压在雪崩后趋于稳定的特性，获得了一种确定暗击穿电压的方法。特性测量实验结果表明：降低温度能加宽APD的最佳工作区域范围，并提高最佳增益值，从而使APD具有更高的灵敏度。通过对EG&;G系列APD和外延APD暗电流和信噪比特性进行比较，发现外延 APD具有良好的噪声性能和信噪比性能，适用于单光子探测。     

新型门控光子计数法测量高散射介质的光学参量

讨论了一种新型而且简单的门控光子计数法，用来测量高散射介质的光学参量。当一束光脉冲入射到高散射介质后，该方法可以恢复出光脉冲经过散射后从介质表面逸出的波形。与传统的门控光子计数法相比，该方法利用计数器控制门可以移动的特点，通过滑动宽度为60ns的控制门实现较高的时间分辨力200ps。在此波形的基础上，Patterson—Chance方法可以快速而且准确计算出被测介质的光学参量。在模型介质上的实验，验证了该方法的可行性，实验结果与复杂的时间相关的单光子计数加曲线拟合方法相比较，误差小于10％。     

一维游标位敏阳极光子计数探测器

报道了一维游标位敏阳极光子计数探测器,详细介绍了一维游标位敏阳极的解码原理和设计结果.搭建了基于一维游标位敏阳极探测器的紫外光子计数探测系统.该系统工作于光子计数模式,可同时测量单光子事件的一维坐标.获得了对应入射光空间强度一维分布的脉冲计数分布图.通过测试,系统的分辨率优于100μm.该探测器可以实现极微弱的高能光子、电子和离子等粒子流强度分布的一维探测,因此可以用于深空探测、光谱测量、高能物理以及生物发光探测.     

Correction of ultraviolet single photon counting image distortion

Single photon counting imaging technology has been widely used in space environment detection, astronomy observation, nuclear physics, and ultraweak bioluminescence. However, the distortion of the single photon counting image will badly affect the measurement results. Therefore, the correction of distortion for single photon counting image is very significant. Ultraviolet single photon imaging system with wedge and strip anode is introduced and the influence factor leading to image distortion is analyzed. To correct original distorted image, three different image correction methods, namely, the physical correction, the global correction, and the local correction, are applied. In addition, two parameters, i.e, the position index and the linearity index, are defined to evaluate the performance of the three methods. The results suggest that the correction methods can improve the quality of the initial image without losing gray information of each counting light spot. And the local correction can provide the best visual inspections and performance evaluation among the three methods.     

单光子计数探测系统的线性性能研究

利用单光子计数技术对微弱光进行探测具有与其他模拟法相比的多个优势,如有好的抗漂移性、高的信噪比、较宽的线性区等。线性性能是探测器的基本性能之一,利用叠加法和距离平方反比法测量单光子计数探测系统的线性范围,当非线性因子为0.05时,利用叠加法实验测得系统线性响应计数率为3.9×10~5 Counts/s,利用距离平方反比法实验测得系统线性响应计数率为5×10~5 Counts/s。结果表明,两种方法测得响应线性度一致性较好。分析了电子学系统的漏计误差对探测器系统线性范围的影响。实验表明,通过缩短电子学系统中甄别器的死区时间(td)可以提高系统的线性范围。     

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。