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。     

基于时间相关单光子计数的荧光寿命成像技术

采用时域法中的时间相关单光子计数方法记录荧光寿命,时间相关单光子计数采用多波长通道同时记录荧光光子数,可以提高计数效率和信息量,还可以在稳态图像中分离不同荧光团,形成4维图像。并采用多光子激发技术,利用长波长光源发出的两个或多个光子可以激发出一个短波长的光子。多个光子必须几乎同时到达激发点, 才能提供被激发分子足够的能量以产生荧光。多光子激发波长较长, 生物组织对其散射减小,因而可以穿透到更深层的组织,从而提高荧光成像深度和空间分辨力,并减少对活体样品的损伤。     

基于时间相关单光子计数的荧光寿命成像技术

采用时域法中的时间相关单光子计数方法记录荧光寿命,时间相关单光子计数采用多波长通道同时记录荧光光子数,可以提高计数效率和信息量,还可以在稳态图像中分离不同荧光团,形成4维图像。并采用多光子激发技术,利用长波长光源发出的两个或多个光子可以激发出一个短波长的光子。多个光子必须几乎同时到达激发点,才能提供被激发分子足够的能量以产生荧光。多光子激发波长较长,生物组织对其散射减小,因而可以穿透到更深层的组织,从而提高荧光成像深度和空间分辨力,并减少对活体样品的损伤。     

单光子探测器雪崩光电二极管的低温控制系统及其温度特性

根据单光子探测系统的要求及其特点,采用半导体制冷技术,研制出了用于单光子探测的雪崩光电二极管(APD)的水循环散热制冷腔。通过配备测量精度为0.1℃的温控仪,降低了APD的工作环境温度。通过实验探讨了APD的温度特性,得到了APD的雪崩电压、暗电流、光电流、等效噪声功率与温度的关系。结果表明:降低APD的工作温度有利于减小APD的等效噪声功率,APD存在最佳工作温度。     

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.     

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。     

半导体单光子雪崩光电二极管的封装发展

半导体单光子雪崩二极管可实现微弱信号的探测,在量子通讯、激光雷达和大气探测等领域具有重要应用。虽然半导体单光子雪崩二极管的性能主要取决于探测芯片设计、流片工艺和外围匹配电路的设计,但后续的封装技术对其探测性能也有重要的影响。聚焦多年来半导体单光子雪崩二极管的封装发展,简要介绍了相应封装形式和技术,以及封装对于雪崩二极管性能的影响,最后对半导体单光子雪崩二极管的封装发展前景做出了展望。     

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。     

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。     

低过偏压下高增益单光子雪崩二极管的设计与验证

单光子雪崩二极管(SPAD)可以检测到异常微弱的光信号,可广泛应用于目标跟踪、自动驾驶、荧光检测等领域。本文基于180 nm标准双极-互补金属氧化物半导体-双扩散金属氧化物半导体(BCD)工艺,设计了一种低过偏压下具有高光子检测概率(PDP)的SPAD器件。该器件在440～740 nm范围内具有良好的光谱响应。采用半径为10μm的N+/P阱形成PN结作为感光区域,由N阱形成一个能有效防止边缘击穿的保护环。应用计算机技术辅助设计(TCAD)软件对SPAD的基本工作原理进行了定性分析,并通过建立的测试平台获得了设备的实际电气参数。测试结果表明,在1 V的过量偏置电压下,在480～660 nm的波长范围内,该器件可达到30%以上的PDP。在560 nm时,PDP峰值为42.7%,暗计数率为11.5 Hz/μm²。最后通过设计VerilogA混合模型验证了器件的模拟结果和实测结果之间具有良好一致性。     

基于双电荷层结构的CMOS单光子雪崩二极管

基于180nm标准CMOS工艺,设计了一种能够有效提高光子探测效率的双电荷层结构的单光子雪崩二极管.该器件结构采用P电荷层和逆行掺杂的深N阱形成PN结,选取不同的P电荷层掺杂浓度,对击穿电压进行优化,当P电荷层浓度为1×1018cm-3时,击穿电压为17.8V,电场强度为5.26×105 V/cm.进一步研究发现N电荷层的位置会影响漂移电流密度和扩散电流密度.当在深N阱与N隔离层交界处掺杂形成N电荷层,即N电荷层掺杂峰值距离器件表面为2.5μm时,器件性能最优.通过Silvaco TCAD仿真分析得到:在过偏压1V下,波长500nm处的探测效率峰值为62%,同时在300～700nm范围内的光子探测效率均大于30%.     

一种基于雪崩二极管电容特性提取通讯波段单光子信号的方法

InGaAs/InP雪崩二极管(APD)可用于探测光通讯波段的单光子.APD工作于门模盖革模式时,单个光子引起的雪崩电流信号通常淹没在电容瞬时充放电脉冲中,光电流信号提取困难.本文通过调整实验参数和APD的寄生电容,使雪崩信号与放电脉冲在时域上有效叠加,并由高速比较器将光电流信号直接甄别出来.本文设计的基于InGaAs/InP APD的单光子探测系统,运行稳定,方法简单可靠,说明这种利用APD的电容特性提取单光子信号是一种有效的方法.     

基于标准探测器的硅单光子雪崩探测器探测效率测量

针对硅单光子雪崩探测器探测效率高准确度测量的需要,建立了一套溯源至标准探测器的硅单光子探测器探测效率测量装置。首先通过大动态范围高精度衰减产生光子数已知的准单光子源来校准探测器的探测效率,其次对影响探测效率测量的后脉冲概率和死时间进行了分析与测量,最后系统分析了各测量不确定度的来源,实现了硅单光子雪崩探测器在632.8nm波长处探测效率测量不确定度达到0.6%(k=2)。该装置采用超连续谱光源与单色仪组合输出单色光源,结合标准探测器,可根据需要实现硅单光子雪崩探测器宽波段内的探测效率自动化测量。     

基于雪崩光电二极管的弱光探测技术研究

通过采用无源抑制方法对雪崩光电二极管的弱光探测技术进行了研究,分析了工作在盖革模式下的InGaAs APD的特性。利用APD两端的偏置电压VB在其雪崩后趋于稳定的特性,确定了其雪崩暗击穿电压,并且在水冷温控系统中,测得了APD雪崩暗击穿电压与温度的关系。结果表明,APD的雪崩暗击穿电压随着温度的上升而增大,光子群(弱光)到达时,APD探测到的在某一幅值处的脉冲数明显增加,其脉冲幅度也将增大。     

基于1.5GHz多次谐波超短脉冲门控InGaAs/InP雪崩光电二极管的近红外单光子探测技术研究

提出了一种高速门控盖格模式的铟镓砷/铟磷雪崩光电二极管(InGaAs/InP APD)单光子探测技术。将1.5GHz多次谐波超短脉冲加载到InGaAs/InP APD上,盖革模式下的光生雪崩信号埋藏在短脉冲充放电形成的噪声中,采用700MHz低通滤波器实现了50.6dB的噪声抑制比,有效地提取出了雪崩信号。通过半导体制冷,使InGaAs/InP APD工作在-30℃,1.5GHz短脉冲驱动下的InGaAs/InP APD在1550nm的探测效率为35%,暗计数率为每门6.4×10-5,超过了单纯使用1.5GHz正弦门的探测性能,而且在15%的探测效率下,2.7ns后发生后脉冲的概率仅为每门6.0×10-5。     

细胞研究的光学显微成像

介绍了在细胞及亚细胞结构与功能研究中发挥至关重要作用的各种现代光学显微镜,包括近场显微镜、共焦扫描显微镜、双光子成像显微镜、图像恢复显微镜及时间相关单光子计数技术,着重描述了后两种系统的工作原理及先进功能。     

贝塞尔光束在生物医学显微成像技术中的应用（特邀）

作为一种典型的无衍射光束,贝塞尔光束具有无衍射和自重构特性,能够提供更长的聚焦长度和一定程度的抗散射能力,在生物医学光学显微成像技术领域获得了越来越多的应用。本文重点关注了贝塞尔光束在生物医学光学显微成像技术中的应用,包括利用其扩展景深能力实现体积样本快速三维成像、利用其抗散射粒子干扰能力实现散射样本的大深度成像以及利用更细聚焦光束能力实现更高分辨率的光学显微成像。首先,概述了贝塞尔光束及其实验室常用的产生方法;然后,总结了近些年贝塞尔光束在生物医学光学显微成像技术中的应用,包括但不限于多光子荧光显微成像、光片荧光显微成像、拉曼显微成像等,既总结了贝塞尔光束在其中发挥的优势,也分析了贝塞尔光束旁瓣带来的干扰问题的消除方案。最后分析和探讨了贝塞尔光束在生物医学光学显微成像技术应用中遇到的问题以及发展前景。     

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     

基于时间相关单光子计数技术的密码芯片光辐射分析

密码芯片运行时的光辐射可泄露其操作和数据的重要特征信息. 基于单光子探测技术, 设计并构建了针对CMOS半导体集成电路芯片光辐射信号的采集、传输、处理和分析的光电实验系统. 以AT89C52单片机作为实验对象, 采用时间相关单光子计数技术, 对不同工作电压下密码芯片的光辐射强度进行了对比, 分析了芯片指令级光辐射信息的操作依赖性和数据依赖性. 此外, 使用示波器对时间相关单光子计数技术在芯片光辐射分析上的可行性进行了验证. 实验结果表明, 采用时间相关单光子计数技术对密码芯片进行光辐射分析, 是一种直接有效的中低等代价光旁路分析攻击手段, 对密码芯片的安全构成了严重的现实威胁.     

干涉光谱成像技术发展的回顾（特邀）

干涉光谱成像仪是基于现代光学技术、光谱技术、电子技术及计算机技术发展起来的一种用于精密光学测量的强有力工具。与色散型、滤光片型光谱成像技术相比较,干涉光谱成像技术因其具有高分辨本领、高灵敏度以及高波数准确度等优势,被广泛应用于农林水体监测、大气污染监控、国土矿产勘查以及天文目标观测等领域。本文按照光程获取方式的类型,从时间调制、空间调制以及时空联合调制三个方面综述了国内外干涉光谱成像技术的研究现状,并对每种类型的代表性研究成果进行了介绍和回顾。最后,对干涉光谱成像技术的未来研究趋势进行了展望。