Vernier型光子计数探测器阳极电容仿真与试验研究

根据Vernier型光子技术探测器的工作原理, 论述了电子云质心解码与阳极面板形成的微小极间电容和电路前端噪声有着密切的关系; 根据泊松方程, 建立了Vernier阳极的数学模型. 利用有限元软件ANSYS计算出同面多电极不规则图形的电容值与极间电容值, 解决了如何计算不规则形状电容值的问题; 利用皮秒激光器在镀有金膜的石英基底上刻蚀出与仿真参数一致的Vernier型阳极, 并测量其电容值. 将测量电容值与仿真值进行比较, 验证了建立模型的正确性, 优化了Vernier阳极的设计参数.     

门控下InGaAs/InP单光子探测器用于符合测量的时域滤波特性研究

基于砷化镓/磷化铟雪崩光电二极管(InGaAs/InP APD)的半导体单光子探测器因工作在通信波段,且具有体积小、成本低、操作方便等优势,在实用化量子通信技术中发挥了重要作用.为尽可能避免暗计数和后脉冲对单光子探测的影响,InGaAs/InP单光子探测器广泛采用门控技术来快速触发和淬灭雪崩效应,有效门宽通常在纳秒量级.本文研究揭示了门控下单光子探测器可测量的最大符合时间宽度受限于门控脉冲的宽度,理论分析与实验结果良好拟合.该研究表明,门控下InGaAs/InP单光子探测器用于双光子符合测量具有显著的时域滤波特性,限制了其在基于双光子时间关联测量的量子信息技术中的应用.     

外差探测系统中马卡望远镜离轴使用的研究

鉴于马卡望远镜离轴能够减小因副镜遮挡引起的光能量损失,分析了马卡望远镜离轴使用时,合作目标和非合作目标发射和接收光路的区别。讨论了马卡望远镜在外差探测系统离轴使用时,发射能量提高,但外差效率下降的原因;在合作目标外差探测系统离轴使用时发射能量提高30%以上,外差效率也有很大提高;通过对散射体目标物和平面镜的测量,分别得到了17%和85%的外差效率,验证了马卡望远镜在合作目标外差探测系统中可以离轴使用。     

极紫外位置灵敏阳极光子计数成像探测器研究

研制出了应用于月基极紫外成像仪的二维极紫外位置灵敏阳极光子计数成像探测器原形样机,该探测器主要由工作在脉冲计数模式下的微通道板堆、楔条形位置灵敏阳极及相关的模拟和数据处理电路组成。设计和制备了周期为1 mm,直径为30 mm的三电极楔条形位置灵敏阳极,研制了最高计数率为200 kHz的前端模拟和数字电路。测量了探测器的暗计数率、脉冲高度分布及空间分辨率等工作特性。测量结果表明,该探测器的空间分辨率为028 mm,满足月基极紫外成像仪对空间分辨率的要求。     

超导纳米线单光子探测系统的时间抖动

超导纳米线单光子探测(SNSPD)器件具有较低的时间抖动特性,可以实现低误码率的QKD和高精度的激光测距。文中对超导纳米线单光子探测系统的时间抖动进行了详细的分析和测量,分析了SNSPD系统各部分对系统抖动的贡献。使用时间相关的单光子计数技术(TCSPC)和示波器的抖动分析软件,分别测量了SNSPD系统的时间抖动,比较了两种方法的优劣。在两种测量方法下,系统总的时间抖动分别约为42ps和31ps,计算后得到单光子探测器件的抖动约为25ps。发现放大器的性能对系统时间抖动影响明显。通过使用不同放大器比较分析了测量得到的时间抖动。     

用于脉冲星导航的X射线光子计数探测器研究

研制了用于脉冲星导航的X射线光子计数探测器原理样机, 该探测器主要由对X射线灵敏度较高的CsI光电阴极、微通道板电子倍增器和收集阳极组成. 对X射线光子计数探测器灵敏度、时间分辨率和整个系统的死时间进行了测试, 实验结果表明该探测器的灵敏度在5 keV时可达5.2× 10³ A/W, 时间分辨率可达到1.1 ns, 系统整体的死时间为100 ns. 关键词： 脉冲星导航 光子计数探测器 灵敏度 时间分辨率     

极紫外波段微通道板光子计数探测器

研究了一种极紫外波段微通道板（MCP）光子计数探测器,用于探测地球等离子体层中极微弱的30.4 nm辐射。通过改变电压、温度等参数对比了该微通道板光子计数探测器的暗噪声和分辨率的变化。结果表明：微通道板探测器的暗噪声主要来源于残余气体离子反馈和热噪声,因此要降低探测器暗噪声,应对微通道进行彻底的预处理除气,并尽量避免探测器在高温状态下工作,常温下经过预处理的微通道板光子探测系统的暗计数率仅为0.34 count/（s.cm2）。系统的分辨率主要受电压和计数率的影响,受温度影响不明显。由于不同的微通道板有不同的耐压范围,过小或过大的电压或计数率都会造成系统分辨率的降低。     

采用Si薄膜的光子计数成像系统性能的研究

在陶瓷基底上利用电子束蒸镀方法制备了Si薄膜,用作感应读出方式光子计数成像系统的电荷感应层,并研究了薄膜的结构特征和表面形态.X射线衍射(XRD)测试和场发射扫描电子显微镜(FESEM)图像表明,沉积的Si薄膜为无定形态,由于陶瓷晶界的存在,薄膜较粗糙.搭建了相应的实验系统,对比了采用不同厚度Si薄膜时系统的空间分辨率、计数率、脉冲高度分布曲线等,发现薄膜的厚度对探测器的计数率影响较大.此外,实验还对比了采用相同电阻值的Si薄膜和常用的Ge薄膜时系统的性能.研究表明,采用Si薄膜时系统的畸变较小、计数率高     

光子计数位置灵敏探测器畸变多项式校正

采用多项式校正方法对光子计数位置灵敏探测器成像畸变进行校正。介绍光子计数位置灵敏探测器工作原理并分析其畸变产生原因;介绍多项式校正原理,并给出光子计数位置灵敏探测器畸变多项式校正流程;采用该方法对两种不同畸变程度的基于楔条形阳极该类探测器进行了畸变校正,校正后残余误差分别为2.5pixel和1.2pixel。实验结果表明,多项式校正法能够有效校正光子计数位置灵敏探测器成像畸变。     

面向机载平台的小型超导单光子探测系统

面对宽幅地形测绘和空基大气测量等应用的需求,迫切需要发展能够适应机载平台的低功耗的小型化单光子探测系统.超导纳米线单光子探测器(SNSPD)因性能优异,已被应用到量子信息、深空通信和远程激光雷达等领域.然而,常规SNSPD所需低温系统的体积和重量均较大,不易于应用到机载平台.截至目前,国际上还未出现应用于机载平台的SNSPD的相关报道.本文设计并制备了工作温度为4.2 K的SNSPD.超导探测器芯片是光敏面积为60 μm×60 μm的四通道光子数可分辨器件,通过光束压缩系统耦合到直径200 μm的光纤,在温度为4.2 K时量子效率大于50%@1064 nm.最后,测试了单个通道的时间特性,在不同光子数响应的情况下得到了不同的时间抖动,其中四光子响应时的时间抖动最小,半高宽为110 ps.该工作不仅可支撑机载应用,而且对于推动发展通用的小型化SNSPD系统及其应用具有积极意义.     

光子计数式光电倍增管四象限型和弱光像增强CCD跟踪系统的性能比较

基于光子计数式光电倍增管四象限跟踪系统和弱光像增强CCD跟踪系统的基本原理，分析了这两种跟踪系统的测量噪声误差、系统控制特性和系统闭环噪声等，并重点根据实验结果分析和比较了这两种跟踪系统的性能。结果表明，光子计数式光电倍增管四象限跟踪系统的性能优于弱光像增强CCD跟踪系统。     

光子计数分布与生物光子辐射特性

本文应用光子计数分布的理论及生物系统超微弱光子辐射的测试数据对生物光子场的辐射特性进行研究,提出生物光子场基本上属于高斯场的观点,并认为它至少是由两个独立部分的光子辐射叠加的结果;其一是纯相干态的相干辐射;另一则为热平衡浑沌态的热光源辐射。文中最后讨论了生物光子辐射的产生机制。     

微通道板增益对光子计数探测器成像性能影响

微通道板作为二维位置灵敏阳极光子计数探测器中的电子倍增器件,其增益特性直接影响探测器的成像性能。搭建了系统测试平台,测量了微通道板的增益随电压变化曲线,并获得了3块微通道板叠加后的脉冲高度分布曲线。根据测试结果以及脉冲高度分布曲线的能量分辨率与探测器增益的均匀性之间的物理关系,选择合适电压值和增益对探测器的性能进行优化,探测器分辨率由3.56 lp/mm 提高到4.49 lp/mm ,获得了清晰图像,为探测器的研制提供了技术支持。     

多路并行探测提高光子计数关联成像质量研究

构建了一种基于多路并行探测提高光子计数关联成像质量的方案,分析了其成像性能,并通过数值模拟验证了其有效性。探讨了探测路数、回波信号平均光子数和辐照散斑场的稀疏度对成像质量的影响。数值模拟结果表明,该方案下的关联成像质量与探测路数成正相关,随着回波信号平均光子数和辐照散斑场稀疏度的增加,成像质量先提升后降低。     

极紫外微通道板光子计数成像探测器性能研究EI北大核心CSCD

基于CE-3极紫外（EUV）相机最高工作温度为70 ℃的要求,对EUV相机的微通道板（MCP）位置灵敏阳极光子计数成像探测器实验件在70 ℃时的性能进行了研究,该探测器主要由工作在脉冲计数模式下的MCP堆、楔条形感应电荷阳极及相关的模拟和数据处理电路组成。为了获得稳定的MCP堆电子增益及较小的暗计数率,对MCP堆进行了预处理,包括380 ℃条件下真空高温烘烤18 h,以及电子清刷100 μA·h,并测量了预处理前后暗计数率;测量了探测器工作在室温和70 ℃时的暗计数率、空间分辨率、增益,测量结果表明探测器的空间分辨率为5.66 lp/mm,与室温下空间分辨率相同,暗计数率虽然小于1 counts/（s·cm2）,但70 ℃暗计数率是室温的2~5倍;对探测器的使用寿命进行了初步分析。实验结果和分析表明探测器在空间分辨率、暗计数率、使用寿命等方面均满足EUV相机的要求。     

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.     

基于交叉延迟线位敏阳极微通道板探测器的光子计数激光三维超分辨成像（特邀）

以未来天基态势感知对远距离空间目标高灵敏度探测与精细三维成像的潜在需求为出发点,开展以光子灵敏探测器为核心的光子计数激光三维成像系统及关键技术研究。提出了一种基于自主研制的交叉延迟线位敏阳极微通道板探测器的光子计数激光三维成像技术。首先介绍了该技术的基本原理,并从全链路建模与成像仿真特性分析的角度对其空间应用的潜力进行了研究;之后探讨了多域联合三维超分辨重建提升系统时空分辨能力的可行性;最后研制了基于交叉延迟线位敏阳极微通道板探测器的光子计数激光三维成像原理样机,在6.8 m距离处实现了距离分辨率优于5 mm的三维成像效果,证明了该技术方法的有效性。     

超导单光子探测技术

单光子探测是弱光测量技术的核心,在量子信息、物理、生物、化学和天文学领域具有关键性的作用。传统以光电倍增管或雪崩二极管为基础的单光子探测器的低灵敏度和高暗计数限制了信噪比的提高,低计数率限制了测量速度和动态范围。本文综述了以超导材料作为光敏感器件的单光子探测技术,其量子效率、暗计数率和计数率远高于传统的单光子探测器,它们的出现势必给单光子测量相关学科带来巨大影响。     

基于Vernier阳极微通道板光子计数探测器分割噪声

为消除微通道板光子计数探测器系统中电子噪声的干扰,研究了探测器分割噪声的来源,并提出利用COMSOL软件仿真计算分割噪声的方法.利用有限元方法对基于Vernier阳极探测器的成像过程进行三维建模,实现了一组5×5针孔阵列的模拟成像,计算出Vernier阳极分割噪声所产生的电子云质心位置的偏移量,验证了Vernier阳极探测器成像编码的正确性与仿真研究分割噪声的可行性.通过分析不同参量的阳极面板,利用数值拟合方法,得到电子云质心偏移量与阳极面板设计参量之间的关系.在固定面板参量的前提下,可以通过提高微通道板增益来有效降低分割噪声对质心位置偏移影响.     

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%.