单光子探测器能够探测到光的最小能量量子
单光子探测器能够探测到光的最小能量量子——光子。单光子探测器可对单个光子进行探测和计数，在信号强度仅为几个光子能量级的条件下，单光子探测器的作用十分巨大。（资料图）
光子，是光的最小能量量子。单光子探测技术，是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术，其原理是利用新式光电效应，可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标信号的探测。有关专家认为，单光子探测技术能将现有的机载光电探测距离从几十公里提高到几千公里，势必带来机载目标探测系统的革命，极大地改变未来空天战场的作战方式。
隐身飞机将无处“隐身”。F－22、B－2等飞机高超的隐身性能，几乎使现役雷达和光电探测系统变成“瞎子”。但单光子探测系统极高的探测灵敏度，即使对F－22、B－2这样的隐身飞机，作用距离也可达到几百到几千公里，可在极远距离上发现隐身飞机，使其“无处遁形”。
空战将从“中距”拉向“远距”。配装单光子探测系统的作战飞机，由于对空目标探测距离极远，将使空中作战从目前的中距进一步扩为远距。如：配挂单光子超远程空空导弹，火力攻击距离可达到几百到几千公里之外。空中战争将从传统的几十公里的超视距作战变为间隔几千公里的非接触战争。
“全球感知，全球打击”成为可能。利用空中平台或临近空间平台配装单光子探测系统，构建单光子探测网络，只需几部单光子探测系统就可实现对领空的全域覆盖。在此基础上用地面或空中远程导弹构建空中地面联合火力网，把单光子探测网络作为网络中心战的目标探测网络系统，可对任何位置（地面或空中）发射的导弹进行目标指引，有效攻击全球目标，实现“全球感知，全球打击”。（曾尧徐文）
中国专家谈单光子探测技术：千里外就可发现F-22
2012年04月19日09:39
来源：解放军报
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新一代战机为抗衡隐身战机，已普遍装备了IRST装置。图为装备IRST的歼-10 B
光电探测器 入门详细解析
光电探测器 摘要 本文研究了近期崛起的高科技新秀：光电探测器。本文从光电探测器的分类、原理、主要参数、典型产品与应用、前景市场等方面简单介绍了光电探测器，使大家对光电探测器有一个初步的理解。了解光电探测材料的原理不仅有利于选择正确适宜的光电探测材料，而且对研发新的光电探测器有所帮助 一、简单介绍引入 光电探测器是指一类当有辐射照射在表面时，性质会发生各种变化的材料。光电探测器能把辐射信号转换为电信号。辐射信号所携带的信息有：光强分布、温度分布、光谱能量分布、辐射通量等，其进过电子线路处理后可供分析、记录、储存和显示，从而进行探测。 光电探测器的发展历史： 1826年，热电偶探测器→1880，金属薄膜测辐射计→1946，热敏电阻→20世纪50年代，热释电探测器→20世纪60年代，三元合金光探测器→20世纪70年代，光子牵引探测器→20世纪80年代，量子阱探测器→近年来，阵列光电探测器、电荷耦合器件（CCD） 这个被誉为“现代火眼金睛”的光电探测材料无论在经济、生活还是军事方面，都有着不可或缺的作用。 二、光电探测材料的分类。 由于器件对辐射响应的方式不一样，以此可将光电探测器分为两大类，分别是光 1
子探测器和热探测器。 ○1光子探测器：光子，是光的最小能量量子。单光子探测技术，是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术，其原理是利用新式光电效应，可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标信号的探测。光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于10－14W）信号探测中的一种新技术。 ○2利用光热效应制作的元件叫做热探测器，同时也叫热电探测器。（光热效应指的是当材料受光照射后，光子能量会同晶格相互作用，振动变得剧烈，温度逐渐升高，由于温度的变化，而逐渐造成物质的电学特性变化）。 若将光电探测器按其他种类分类，则 按应用分类：金属探测器，非成像探测器（多为四成像探测器），成像探测器（摄像管等）。 按波段分类：红外光探测器（硫化铅光电探测器），可见光探测器（硫化镉、硒化镉光敏电阻），紫外光探测器。 2
单光子探测器技术原理
单光子探测器技术原理简介 1. 工作原理 单光子探测器是一种对微弱光信号进行探测的设备，输入光强度最低可到单光子水平。以通信最常用的1550nm和1310nm光波长为例，单个光子的能量分别为1.28*10-19焦耳和1.52*10-19焦耳，这意味着输入信号能量极其微弱，必须使用特殊的光子检测器件探测输入光子脉冲事件。不同种类的雪崩管服务于不同的探测应用目的，例如基于Si的雪崩管适用于可见光波段检测，InGaAs或InP 的雪崩管更适合近红外波段。 薄结工艺标准CMOS工艺厚结工艺 常见的SACM型InGaAs/InP APD的半导体结构
数据来自Micro Photon Devices公司数据来自Perkin Elmer公司 单光子探测器的工作原理是利用工作于盖革模式（Geiger Mode）下的InGaAs/InP雪崩光电二极管（APD）进行单光子探测。所谓盖革模式是指APD 工作时要加反向偏压，偏压幅度略微超过雪崩阈值电压，盖革模式与线性模式的区别在于能够将微弱光生载流子放大产生宏观电流。根据对APD施加偏压的波形，将探测器分为门控工作模式和自由运行模式两类。光子入射到APD内部引发雪崩，产生微弱雪崩电流脉冲。探测器内部处理电路采用跨导放大器将微弱电流脉冲转换成电压脉冲并放大、整形，再经过甄别、死时间处理后输出电平、宽度固定的数字脉冲，探测器有脉冲输出表示检测到了输入单光子或微弱光脉冲，而脉冲前沿位置代表光子输入时刻。光子输入事件及其发生事件正是量子信息、单光子雷达等应用关注的最重要内容，单位时间内计数值则反映了输入光强度。入射光子引发雪崩发生后，必须尽快将雪崩淬灭，一方面避免雪崩管过度放电，更重要的是将雪崩管恢复到可用状态，能够及时检测下一个入射光子事件。根据淬灭方式的不同，将探测器分为主动淬灭和被动淬灭两类。
单光子探测用于光子统计测量的研究
论文第49卷第8期 2004年4月 单光子探测用于光子统计测量的研究 肖连团降雨强赵延霆尹王保赵建明贾锁堂 (山西大学物理电子工程学院, 量子光学与光量子器件国家重点实验室, 太原 030006. E-mail: xlt@https://www.360docs.net/doc/f66462815.html,) 摘要实验研究了通过记录每一个光子事件直接测量微弱脉冲激光(平均光子数n≈0.1, 脉冲持续时间10ns)的Mandel 参数. 在基于Hanbury-Brown-Twiss探测结构, 取样时间内每个单光子计数器最多探测到一个光子的情况下, 测量发现低于阈值电流工作的二极管激光呈Super-Poisson统计分布. 另外验证了工作于远高于阈值电流的二极管激光(强度噪声主要为散粒噪声)的Poisson分布相干态的Mandel 参数Q C约为?n/2. 在测量误差内, 实验结果与理论分析一致. 关键词光子统计Mandel参数死区时间单光子计数器Poisson分布 辐射源的光量子态特性对于研究近代量子光学中光与物质的相互作用具有重要意义. 对光量子态的严格表述需要密度算符或Wigner函数, 但是这些参数在通常的实验条件下难以测量[1]. 为了进行光场的非经典特性研究, 通常利用基于经典电磁场理论的Hanbury-Brown-Twiss (HBT)结构形式[2]测量光子统计分布. 通过50/50光分束器把光束分为两束, 其中一束经过一个可调变的时间延迟装置, 由两个光电探测器分别接收后进入相关器进行处理, 从而获得两束光强度涨落的关联特性. 这种光子统计测量的方法是单光子源如单原子[3]、单分子[4]和量子点[5]研究中的重要测量手段, 同时在分子生物学[6]和生物化学[7]等学科领域有着广泛的应用. 分析光子统计特性普遍采用对二阶关联函数的测量, 即通过测量一定时间内的光子数和两通道光子事件之间的时间间隔[8], 利用时间幅度转换得到的峰值大小确定光子源的光子分布概率P S(n; n = 0, 1, 2), 计算Mandel参数Q. 但是这种开始-停止的测量方法不能给出光子数在时域上的起伏变化, 同时不能准确给出光子统计概率. 最近Roch小组[4]通过记录两个单光子计数器响应触发式单分子光源输出的每一个事件, 由大量光子计数事件获得统计分布概率P S(n), 直接测量Mandel 参数Q. 利用单光子计数器在死区时间(数十至数百纳秒)不对光子响应的特点,即在测量过程中单光子计数器首先对第1个到达的光子信号响应, 而对后续死区时间到达的光子没有反应, 使得在小于死区时间的取样时间内对每次光脉冲触发信号事件最多只能探测到一个光子. 研究得到基于HBT形式的单光子探测对具有Poisson 光子统计的相干态光脉冲的Mandel 参数Q C = ?n/2, n为平均光子数, 通过比较测得Q与Q C的大小分析单分子光源的光子统计分布特性. 单光子态的量子信息传输是量子密钥分配的物理基础[9]. 在量子密钥分配的实际应用方案中[9,10], 人们通常认为单模二极管激光的光子统计分布特性服从相干态Poisson分布, 通过不断衰减二极管激光强度以降低双光子和更多光子的分布概率, 把具有超低平均光子数(远小于1)的相干态近似为单光子态. 这里我们采用直接测量Q参数的方法研究单模二极管激光脉冲的光子统计分布特性. 通过测量比较连续二极管激光工作于不同驱动电流下强度噪声中的过剩噪声与散粒噪声基准, 研究二极管激光分别工作于阈值电流、强度噪声主要为过剩噪声和远高于阈值电流工作时强度噪声为散粒噪声基准的情况下经脉冲调制和强衰减后(脉冲持续时间10 ns, 平均光子数n≈0.1)的光子统计分布, 并首次给出了这种测量方法的误差分析. 1基于HBT结构的单光子探测与光子统计特性 为了研究光子数随时间的起伏变化, 我们首先给出W个取样周期内光子数随时间的起伏, 定义归一化相对涨落V W, V W ＜(?n)2＞W /＜n＞W, (1) 这里＜(?n)2＞w 2 1 ()/, W i W i n n W = ? ∑<>n i是第i个脉冲激发时探测到的光子数, ＜n＞W是W个激发周期内探测到的平均光子数. 对于＜n＞W = 0, V W定义为1. 对于光电计数为Poisson 分布时V W= 1, 相应V W < 1为Sub-Poisson分布, V W > 1为Super-Poisson 分布. 如图1所示. 如果考虑全部采样事件, 测量结果对应单一相对涨落V. 为了分析光子统计分布, 我们采用Mandel
光电效应
光电效应 光的干涉、衍射现象表明光具有波动性，光电效应表明光具有粒子性。关于光的波动性和粒子性并存的性质，称之为波粒二象性。一切涉及到普朗克常数的物理现象皆为量子现象。因此，普朗克常数是一个十分重要的物理常数。 实验目的 1．通过实验了解光的量子性。 2．利用爱因斯坦方程，测定普朗克常数。 实验原理及方法 金属表面在光照射下释放电子的现象称为光电效应。光的波动性无法解释光电效应。1905年爱因斯坦提出了光量子假说，成功地解释了光电效应。他认为光束是由能量E =hv 的光量子聚集而成，h 是普朗克常数，ν是光频率。在光与金属相互作用时，光子带着能量hv 穿过金属表面，金属中电子吸收光子能量后，一部分用于克服逸出金属表面所需的能量E 0（逸出功W ），剩余的能量(hv —W ?)成为光电子的初动能 212 m hv W υ=- （1） 式中m 是电子的质量，υ是光电子逸出金属表面时的初速度。这就是著名的爱因斯坦光电效应方程。 由于金属中电子的能量具有一定的分布，不同能量的电子吸收光子的概率也不相同，以及电子在向金属表面运动过程中能量损失也不尽相一致等原因，故逸出光电子的动能具有一定的分布。从金属中逸出时不因碰撞而损失能量时的光电子的动能，就是光电子的最大初动能。 式（1）表明只有ν≥0W v h =时，才能使光电子逸出金属表面。0v 称为截止频率，它取决于金属材料的逸出功。不同材料有不同的截止频率。一般碱金属的逸出功较低，故常用于光效应实验。 实验线路如图1所示，单色光从光电管的窗口入射到阴极K 上，从K 发射光电子向阳极A 运动，在外电路形成光电流。若在阳极上加一相对于阴极为正的电压，在光电管内形成加速电场，光电流随正向电压的增大而迅速增加，直至所产生的光电子全部到达阳极。此时光电流达到饱和。如果在阳极上加一相对于阴极为负的反向电压U ，则在光电管中形成一个阻止光电子运动到阳极的电场。因而，使从阴极逸出的光电子中只有那些动能221mv 大于eU 的光电子才能运动到阳极而被收集。逐渐增大反向电压U ，就会阻止更多的光电子到达阳极，使光电流逐渐减小。当反向电压达到使具有最大初动能的光电子也被阻止，即
量子阱原理及应用
光子学原理课程期末论文 ——量子阱原理及其应用 信息科学与技术学院 08电子信息工程 杨晗 23120082203807
题目：量子阱原理及其应用 作者：杨晗 23120082203807 摘要：随着半导体量子阱材料的发展,量子阱器件广泛应用于各种领域.本文主 要介绍量子阱的基本特征,重点从量子阱材料、量子阱激光器、量子阱LED、等方面介绍量子阱理论在光电器件方面的发展及其应用。 关键词：量子阱量子约束激光器 量子阱是指由2种不同的半导体材料相间排列形成的、具有明显量子限制效应的电子或空穴的势阱。量子阱的最基本特征是，由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱，简单来说，就是由多个势阱构成的量子阱结构为多量子阱，简称为MQW（Multiple Quantum Well），而由一个势阱构成的量子阱结构为单量子阱，简称为SQW（Single Quantum Well）。 一量子阱最基本特征 由于量子阱宽度(只有当阱宽尺度足够小时才能形成量子阱)的限制，导致载流子波函数在一维方向上的局域化。在由2种不同半导体材料薄层交替生长形成的多层结构中，如果势垒层足够厚，以致相邻势阱之间载流子波函数之间耦合很小，则多层结构将形成许多分离的量子阱，称为多量子阱。如果势垒层很薄，相邻阱之间的耦合很强，原来在各量子阱中分立的能级将扩展成能带(微带)，能带的宽度和位置与势阱的深度、宽度及势垒的厚度有关，这样的多层结构称为超晶格。有超晶格特点的结构有时称为耦合的多量子阱。量子肼中的电子态、声子态 和其他元激发过程以及它们之间 的相互作用，与三维体状材料中的 情况有很大差别。在具有二维自由 度的量子阱中，电子和空穴的态密 度与能量的关系为台阶形状。而不 是象三维体材料那样的抛物线形 状[1]。 图1半导体超晶格的层状结构，白圈和灰圈代 表两种材料的原子
中远红外探测器发展动态
中远红外探测器发展动态 1 红外光电探测器的的历史 红外探测成像具有作用距离远、抗干扰性好、穿透烟尘雾霾能力强、可全天候、全天时工作等优点在军用和民用领域都得到了极为广泛的应用按照探测过程的物理机理，红外探测器可分为两类即热探测器和光电探测器。光电探测器的工作原理是目标红外辐射的光子流与探测器材料相互作用，并在灵敏区域产生内光电效应。因具有灵敏度高、响应速度快的优点，光电探测器在预警、精确制导、火控和侦察等红外探测系统中得到广泛应用。 红外焦平面阵列可探测目标的红外辐射，通过光电转换、电信号处理等手段，可将目标物体的温度分布图像转换成视频图像，是集光、机、电等尖端技术于一体的红外光电探测器H。目前许多国家，尤其是美国等西方军事发达国家，都花费大量的人力、物力和财力进行此方面的研究与开发，并获得了成功。红外光电探测器研究从第一代开始至今已有40余年历史，按照其特点可分为三代。第一代(1970s～1980s)主要是以单元、多元器件进行光机串／并扫描成像，以及以4×288为代表的时间延迟积分(TDI，time delay integration)类扫描型(scanning)红外焦平面列阵。单元、多元探测器扫描成像需要复杂笨重的二维、一维扫描系统结构，且灵敏度低。第二代红外光电探测器是小、中规格的凝视型(staring)红外焦平面列阵。M×N凝视型红外焦平面探测元数从1元、N元变成M×N元，灵敏度也分别从l与N1/2增长M×N1/2倍和M1/2。而且，大规模凝视焦平面阵列，不再需要光机扫描，大大简化整机系统。 目前，正在发展第三代红外光电探测器。探测器具有大面阵、小型化、低成本、双色(two-color)与多色(multi-color)、智能型系统级灵巧芯片等特点，并集成有高性能数字信号处理功能，可实现单片多波段融合高分辨率探测与识别。因此，本文将重点综述三代红外光电探测器的材料体系及其研究现状，并分析未来红外光电探测器的材料选择及发展趋势。 2 三代探测器的材料体系与发展现状 红外光电探测器的材料很多，但真正适于发展三代红外光电探测器，即响应波段灵活可调的双色与多色红外焦平面列阵器件的材料则很少。目前，主要有传统的HgCdTe和QWIPs，以及新型的二类SLs和QDIPs，共四个材料体系。作为
高中物理第四章波粒二象性光电效应与光量子假说导学案教科选修
2 光电效应与光量子假说 [目标定位] 1.知道光电效应现象，能说出光电效应的实验规律.2.能用爱因斯坦光电效应方程对光电效应作出解释，会用光电效应方程解决一些简单的问题. 一、光电效应 1．光电效应：照射到金属表面的光，能使金属中的电子从表面逸出的现象． 2．光电子：光电效应中发射出来的电子． 3．光电效应的实验规律 (1)对于给定的光电阴极材料，都存在一个截止频率ν0，只有超过截止频率ν0的光，才能引起光电效应． (2)光电流的大小由光强决定，光强愈大，光电流愈大． (3)光电子的最大初动能与入射光的频率成线性关系． (4)光电效应具有瞬时性：光电效应中产生电流的时间不超过10－9 s. 想一想 紫外线灯照射锌板，为什么与锌板相连的验电器指针张开一个角度？ 答案 紫外线灯照射锌板，发生光电效应现象，锌板上的电子飞出锌板，使锌板带正电，与锌板相连的验电器也会因而带正电，使得验电器指针张开一个角度． 二、爱因斯坦的光电效应方程 1．光子说：光本身就是由一个个不可分割的能量子组成的，这些能量子被称为光子，频率为ν的光的能量子为hν. 2．爱因斯坦光电效应方程的表达式：hν＝12mv 2 ＋A.其中A 为电子从金属内逸出表面时所需做的功． 想一想 怎样从能量守恒角度理解爱因斯坦光电效应方程？ 答案 爱因斯坦光电效应方程中的hν是入射光子的能量，逸出功A 是光子飞出金属表面消耗的能量，12mv 2 是光子的最大初动能，因此爱因斯坦光电效应方程符合能量的转化与守恒定律． 预习完成后，请把你疑惑的问题记录在下面的表格中 问题1 问题2 问题3 一、光电效应现象 1．光电效应的实质：光现象――→转化为 电现象． 2．光电效应中的光包括不可见光和可见光． 3．光电子：光电效应中发射出来的光电子，其本质还是电子．
量子阱红外探测器(QWIP)调研报告
量子阱红外探测器（QWIP）调研报告 信息战略中心（2007.07.12） 引言 (2) 1、量子阱红外探测器的原理 (3) 1.1量子阱红外探测器基本原理简介 (3) 1.2QWIP的几种跃迁模式 (4) 1.3量子阱结构的选择 (6) 1.4QWIP的材料选择 (7) 1.5入射光的耦合 (9) 1.6QWIP的性能参数 (11) 1.7 量子阱周期数对器件性能的影响[9] (12) 1.8QWIP的抗辐射机理与方法 (13) 参考文献： (17) 2、量子阱红外探测器的制备方法 (19) 2.1直接混杂法制备红外探测器焦平面阵列像元 (19) 3、量子阱红外探测器的国内外主要应用 (22) 3.1红外探测器分类 (22) 3.2红外探测器发展历程 (23) 3.3红外探测器基本性能参数 (23) 3.4各种焦平面阵列（FPA S）的性能比较 (25) 3.5红外成像系统的完整结构 (26) 3.5.1 焦平面结构 (27) 3.5.2 读出电路 (27) 3.6QWIP探测器实例分析 (29) 3.7QWIP的应用领域及前景分析 (31) 参考文献： (33)
引言 半导体量子阱(Qw)、超晶格(SL)材料是当今材料科学研究的前沿课题，被比喻为实验中的建筑学，即以原子为最小砌块的微观建筑学。它所产生的人工晶体，其性质可人为改变控制，它比通常意义上的晶体材料具有巨大的优越性和发展前景。它的一个极有前途、极为重要的应用领域是新型红外探测器，即第三代红外焦平面量子阱探测器。量子阱新材料是发展新型红外探测器的先导。 红外焦平面探测器是从单元和线阵基础上发展起来的第三代红外探测器，它标志着热像技术已从“光机扫描”跃进到“凝视”这个高台阶，从而使热像系统的灵敏度、可靠性、功能容量及实时性等都获得无以伦比的瞩目进步。众所周知，探测器是决定红外系统属性的主要矛盾，基于红外焦平面探测器的问世，它与信号读出处理电路一体化的成功，以及长寿命闭环斯特林致冷器的实用化，使红外焦平面探测器在以下重要领域得到重要应用或正在考虑其应用： ①空间制导武器。如用焦平面探测器导引头拦截卫星； ②红外预警卫星及机载红外预警系统； ③巡航导弹、地地导弹、空地导弹、防空导弹、海防导弹及反舰导弹的红外制导系统的基本组成； ④地基(包括舰艇平台)红外制导站及红外搜索，跟踪系统； ⑤小型导弹制导及夜间瞄准； ④坦克、飞机、舰艇等运载工具的夜间观测、目标瞄准、自动跟踪等。 红外焦平面探测器早期实用的是Pbs，现在的重点是碲镉汞，Si：Pt及半导体量子阱焦平面探测器。其中半导体量子阱焦平面探测器，在五年内接近走完了碲镉汞(MCT)探测器30年的历程，现在虽然在探测度指标上还不如MCT，但经过进一步的攀登，这种完全靠科学家、计算机的，由MBE或MOCND技术制造的新一代焦平面器件可能成为现代国防的复眼。无疑，今后哪个国家能抢占这个高地，这将在各国国防力量的对比方面产生重要的影响。
1.5μm单光子探测器在激光遥感中的应用
1.5μm单光子探测器在激光遥感中的应用 单光子探测器作为最精密的测量仪器,可探测到光的最小单元,单个光子。单光子检测技术己广泛应用在激光雷达、分布式光纤探测器、生物荧光检测、量子信息、光学成像等领域。目前,1.5 μm波段单光子探测器主要包括超导纳米线单光子探测器、频率上转换单光子探测器、InGaAs/InP单光子雪崩二极管。1.5 μm波段气溶胶激光雷达具有人眼安全,大气透过率高,受瑞利散射干扰小,太阳背景辐射弱的优点。 本论文针对这三个探测器的特点,分别研制了不同类型的激光遥感设备。本论文的主要工作如下:1.研制了基于上转换单光子探测器的人眼安全1.5μm微脉冲气溶胶激光雷达。采用高探测效率和超低噪声的上转换单光子探测器,实现了大气回波信号的高信噪比探测。在脉冲能量为110μJ,望远镜口径100mm,时间分辨率5分钟,激光雷达实现了水平距离7km的大气气溶胶探测。 在验证实验中,上转换气溶胶激光雷达实现了对大气能见度的昼夜连续24 小时的观测。2.研制了 1.5μm波段的全光纤、微脉冲、人眼安全的高光谱分辨测风激光雷达。通过采用基于扫描Fabry-Perot干涉仪的高光谱分辨率技术,以及单光子检测技术,同时获得了大气气溶胶谱的频移和谱宽信息。在验证实验中,当时间分辨率1分钟时,水平探测距离达到4km。 在距离为1.8km的位置,距离分辨率由30m变换到60m。对比实验中,高光谱分辨测风激光雷达的径向风速测量结果与超声风场传感器Vaisala所得测量结果吻合。根据经验公式,风速的标准偏差在1.8km处为0.76m/s,光谱展宽的标准偏差在1.8km处为2.07MHz。3.研制了基于1.5 μm波段的结构紧凑、人眼安全、双边缘直接探测多普勒测风激光雷达。 通过采用全光纤保偏结构,保证了光学耦合效率,提高了系统稳定性。通过采用时分复用技术,仅采用单通道Fabry-Peort干涉仪和单通道上转换单光子探测器,实现了双边缘探测技术。校准实验中,系统的相对误差低于0.1%。验证实验中,双边缘测风激光雷达实现了连续48小时的大气的风场和能见度探测。 该激光雷达的测量结果与超声测风传感器具有很好的一致性,速度的标准偏差为1.04 m/s,方向的标准偏差为12.3°。4.研制了基于自由运行InGaAs/InP 单光子探测器的1.5气溶胶激光雷达。针对激光雷达应用,对自由运转单光子探
量子阱的应用
3 量子阱器件的应用 3 . 1 量子阱红外探测器 量子阱红外探测器(QWIP)是20世纪90年代収展起来的高新技术。与其他红外技术相比,QWIP具有响应速度快、探测率与HgCdTe探测器相近、探测波长可通过量子阱参数加以调节等优点。而且,利用MBE 和MOCVD等先迚工艺可生长出高品质、大面积和均匀的量子阱材料, 容易做出大面积的探测器阵列。正因为如此,量子阱光探测器,尤其是红外探测器受到了广泛关注。QWIP是利用掺杂量子阱的导带中形成的子带间跃迁, 幵将从基态激収到第一激収态的电子通过电场作用 形成光电流这一物理过程,实现对红外辐射的探测。通过调节阱宽、垒宽以及AlGaAs中Al组分含量等参数, 使量子阱子带输运的激収态 被设计在阱内(束缚态) 、阱外(连续态)或者在势垒的边缘或者稍低于势垒顶(准束缚态),以便满足不同的探测需要,获得最优化的探测灵敏度。 因此,量子阱结构设计又称为“能带工程”是QWIP最关键的一步。另外,由于探测器只吸收辐射垂直与阱层面的分量,因此光耦合也是QWIP的重要组成部分。基于QWIP焦平面阵列研制出的成像系统, 已经被广泛地应用于军事、工业、消防等领域,其小型化、便捷化的特点受到了人们的青睐。 (1)军事方面,QWIP在武器精确制导、战场监视与侦察、搜索和自动跟踪、探测地雷等方面都有广泛的应用。(2)工业方面,QWIP可要用于各种设备的故障检测和产品的质量检测。例如高压输电线路故障的检测十分困难, 可以利用量子阱红外探测器阵列制成的红外相机,从直升 机上对故障収生的位置迚行准确定位。产品的无损探伤及质量鉴定可以借助 QWIP,这主要是指金属、非金属材料及其加工部件。另外,在金属焊接部件的质量鉴定方面,无需对样品迚行解剖和取样,就可以方便地查出
红外探测器简介
红外探测器 设计研发部-平 一、红外探测器市场以及应用领域 红外探测技术目前主要分为近红外、中红外和远红外三种研究领域。其中，中红外探测技术由于中红外线的高强度和高穿透性，应用最为广泛，研究也最为成熟；远红外的主要优点就是其穿透性，可用于探测、加热等，应用也比较广泛。近红外，由于其包含氢氧键、碳氢键、碳氧键等功能键的特征吸收线。大气中的水气、二氧化碳、大气辉光等也集中在这个波段。特有的光谱特性使得短波红外探测器可以在全球气候监测、国土资源监测、天文观测、空间遥感和国防等领域发挥重大作用。红外探测器广泛应用于军事、科学、工农业生产和医疗卫生等各个领域，尤其在军事领域，红外探测器在精确制导、瞄准系统、侦察夜视等方面具有不可替代的作用。随着红外探测技术的飞速发展，红外探测器在军事、民用等诸多领域都有着日益广泛的应用。作为高新技术的红外探测技术在未来的应用将更加广泛，地位更加重要。 小型红外探测器是受价格驱动的商品市场，而中型和大型阵列探测器则是受成本和性能驱动的市场，并且为新产品提供了差异化的空间。但是在每种红外探测器技术（如热电/热电偶/微测辐射热计）之间存在着巨大的障碍。由于这些技术都是基于不同的制造工艺，如果没有企业合并或收购，很难从一种技术转换到另外一种技术。 红外探测器已进入居民日常安防中，其中主动式红外探测器遇到树叶、雨、小动物、雪、沙尘、雾遮挡则不应报警，人或相当体积的物品遮挡将发生报警。主动红外探测器技术主要采用一发一收，属于线形防，现在
已经从最初的单光束发展到多光束，而且还可以双发双收，最大限度地降低误报率，从而增强该产品的稳定性，可靠性。据美国相关公司市场调研分析师预测，全球军用红外探测器需求额有望在2020年达到163. 5亿美元，复合年均增长率为7. 71%。 红外探测器按探测机理可分为热探测器和光子探测器，按其工作中载流子类型可以分为多数载流子器件和少数载流子器件两大类，按照探测器是否需要致冷，分为致冷型探测器和非致冷型探测器。非致冷探测器目前主要是非晶硅、氧化钒和InGaAs等探测器，致冷型探测器主要包括碲镉汞三元化合物、量子阱红外光探测器H类超晶格等。 在过去的几十年里，大量的新型材料、新颖器件不断涌现，红外光电探测器完成了第一代的单元、多元光导器件向第二代红外焦平面器件的跨越，目前正朝着以大规模、高分辨力、多波段、高集成、轻型化和低成本为特征的第三代红外焦平面技术的方向发展。 二、焦平面红外探测器应用现状 热探测器的应用早于光子探测器。热探测器包括热释电探测器、温差电偶探测器、电阻测辐射热计等。热探测器具有宽谱响应、室温工作的优点，但是它响应时间较慢、高频时探测率低，目前主要应用于民用领域。光子探测器是基于光电效应制备的探测器，通过配备致冷系统，具有高量子效率、高灵敏度、低噪声等效温差、快速响应等优点。在军事领域，光子探测器占据主导地位。常用的光子探测器有
光子探测器的应用及行业发展
光子计数探测器的应用 混合像素探测器，为您的实验室精心准备 PILATUS混合像素探测器的设计从理论到现实均达到最佳的数据质量X射线检测。他们带来了两项关键技术，单光子计数和混合像素技术相结合，同步到您的实验室。单光子计数消除所有探测器噪声，并提供卓越的数据。在收集数据时，读数无噪音和暗电流的消失特别具有优势：在实验室中的X射线光源比同步加速时要弱很多，需要更长的曝光时间，并导致较弱的信号。由于没有了暗电流和读数噪音， PILATUS探测器更加适合在实验室使用。混合像素技术可以直接检测X射线，与其他任何探测器技术相比实现了更清晰，更好地解决信号传输问题。加上读取时间短和连续采集的特点，PILATUS探测器可以高效提供优质数据。低功耗和冷却需求，给你一个无忧的、维护量极小探测器系统，。PILATUS探测器系列是专为您在实验室中的需求定制，并提供同步加速器的技术，有无与伦比的价值。利用PILATUS独特的功能，可以从你的最具挑战性的样品获得最佳的数据。 针对您的需求 PILATUS探测器成功推动和同步加速器光束线。PILATUS的独特功能在实验室和相关产业的优势也很明显。根据您在实验室的需求，现在PILATUS的产品阵容，辅以一系列的PILATUS探测器，。固定能量校准和简化的读数电子器件完美匹配了实验室相关要求而且PILATUS完全符合您的预算。混合像素技术和单光子计数，关键的技术，优质的数据和高效率，完全无障碍实施是PILATUS探测器的优势。越来越多的实验室和工业应用的仪器可配备或升级了PILATUS探测器。根据自己的设置或利益自由整合PILATUS，可以从一个现成的仪器变成一个PILATUS OEM合作伙伴
第1节 量子概念的诞生 第2节 光电效应与光量子假说
第1节量子概念的诞生 第2节光电效应与光量子假说 学习目标核心提炼 1.了解黑体辐射及能量子概念，知道黑体辐射的实 验规律。 3个概念——黑体黑体辐 射能量子 4个光电效应规律——截止 频率光强与光电流的关系 最大初动能与入射光频率的 关系瞬时性 1个光电效应方程——hν＝ 1 2 m v2＋A 2.知道普朗克提出的能量子假说。 3.了解光电效应及其实验规律，感受以实验为基础 的科学研究方法。 4.知道光电效应方程及其意义，感受科学家在面对 科学疑难时的创新精神。 一、热辐射、黑体与黑体辐射 1.热辐射：我们周围的一切物体都在以电磁波的形式向外辐射能量，辐射强度随波长的分布与物体的温度有关。 2.黑体：能够全部吸收外来电磁波而不发生反射的物体。 3.一般材料物体的辐射规律：辐射电磁波的情况除与温度有关外，还与材料的种类及表面状况有关。 4.黑体辐射：加热腔体，黑体表面就向外辐射电磁波的现象。 思考判断 (1)只有高温物体才能辐射电磁波。() (2)能吸收各种电磁波而不反射电磁波的物体叫黑体。() (3)温度越高，黑体辐射电磁波的强度越大。()
答案(1)×(2)√(3)√ 二、能量子 1.定义：普朗克认为，振动着的带电微粒的能量只能是某一最小能量值ε的整数倍，这个不可再分的最小能量值ε叫作能量子。 2.能量子大小：ε＝hν，其中ν是电磁波的频率，h称为普朗克常数。h＝6.626×10－34 J·s(一般取h＝6.63×10－34 J·s)。 3.能量子提出的意义：打破了一切自然过程都是连续变化的经典看法，第一次向人们展示了自然界的非连续特性。 思考判断 (1)微观粒子的能量只能是能量子的整数倍。() (2)能量子的能量不是任意的，其大小与电磁波的频率成正比。() 答案(1)√(2)√ 三、光电效应 1.光电效应：当光照射在金属表面上时，金属中的电子吸收光的能量而逸出金属表面的现象。 2.光电子：光电效应中发射出来的电子。 3.光电效应的四个特征 (1)发生条件：对于给定的光电阴极材料，都存在一个截止频率ν0，只有超过截止频率ν0的光，才能引起光电效应。 (2)光电流的大小：由光强决定，光强愈大，光电流愈大。 (3)光电子的最大初动能：与入射光的频率成线性关系。 (4)光电效应具有瞬时性：光电效应中产生电流的时间不超过10－9s。 思考判断 (1)任何频率的光照射到金属表面都可以发生光电效应。() (2)金属表面是否发生光电效应与入射光的强弱有关。() (3)入射光照射到金属表面上时，光电子几乎是瞬时发射的。() 答案(1)×(2)×(3)√ 四、爱因斯坦的光子说与光电效应方程
单光子探测器应用
单光子探测技术典型应用 单光子探测是一种探测超低噪声的技术，增强的灵敏度使其能够探测到光的最小能量量子——光子。单光子探测器可以对单个光子进行计数，实现对极微弱目标信号的探测，因此也活跃在许多可获得的信号强度仅为几个光子能量级的新兴应用领域中。 人眼安全激光雷达 激光雷达是一种基于光学探测与测距的光学遥感技术，实用窄线宽短脉冲激光在大气中进行光子激射从而产生背向散射。接收这些微弱的背向散射信号需要用到单光子计数器等高灵敏度的光学探测设备。今天，激光雷达活跃在污染监测，空气质量分析，气候学等很多领域。 激光雷达典型应用 量子密码学／量子密钥分配 量子密码学／量子密钥分配是一种非常前沿的技术，它利用量子物理特性获得传统技术无法企及的安全传输保证。这种技术基于量子原理将秘钥安全保密的分配给通信双方。同光纤通信技术相结合，实现量子密钥分配需要将光信号能量降低至光子水平，因此，高精度的光子探测设备是必须的。在此类应用里，单光子源／双光子纠缠源，单光子计数器都需要用到。特别是单光子计数器，它不仅能够接收极低水平的量子密钥信号，还能够探测不明侵入，从而保障系统安全。 量子通信
光子源特性测试 随着量子物理技术、非线性技术和量子点技术的进步和发展，单光子源和光子纠缠源的开发需求日益增多。在这些设备的开发过程中，需要高灵敏度的检测手段来对其进行特性分析和测试，单光子计数器就是一种有效的手段。 荧光测量 莹光时间测量技术（Fluorescence Timing Measurement）被应用在很多科研和工业领域，例如：分子特性，纳米技术和成像显微技术等等。莹光信号是一种非常微弱的光信号，因此需要非常灵敏的光学探测器进行探测，单光子计数器就是不二之选。
量子物理学-光电效应与光量子假说20150920
一、光电效应的实验规律 1、光电效应 光照射在金属及其化合物的表面上发射电子的现象称为光电效应（photoelectric effect ）。实验装置为光电管，在阴极金属表面逸出的电子称为光电子（photoelectron ），电路中出现的电流形成光电流（photocurrent ）。 2、实验规律： （1）饱和光电流：电流强度随光电管两端电压的增加而增加，在入射光强一定时光电流会随U 的增大而达到一饱和值i m ，且饱和电流与入射光强I 成正比。 （2）遏止电压：将光电管上的电压反向，电子的运动受到抑制，实验发现当反向电压不太大时仍有光电流存在，这说明从阴极发射的光电子具有一定的初速度，当反向电压大到一定数值U a 时光电流完全变为零，称U a 为遏止电压。显然电子有初动能与U a 之间有关系 a eU m =2v 2 1 （3）红限（截止）频率：当入射光的频率改变时遏止电压随之改变，实验发现两者成线性关系 0U K U a -?=ν 只有当入射光频率ν大于一定的频率ν0时，才会产生光电效应，ν0称为截止频率或红限频率。 Ua
从不同材料的U a -ν曲线可看出：不同材料的图线的斜率相同，但在横轴上的截距不同。说明K 与金属材料种类无关，但U 0与金属材料种类有关。 （4）光电效应瞬时发生的：当入射光无论如何弱，光电子在光照射的瞬间可产生，驰豫时间不超过10-9秒。 二、爱因斯坦的光量子假设 1、经典物理学所遇到的困难 金属表面对电子具有束缚作用，电子脱离金属表面所需要的能量，所需的最少能量称为逸出功，用 A 表示，显然有 A eU A m E a photon +=+=2v 2 1 其中E photon 为吸收的电磁波能量。 按照光的经典电磁理论：光波的强度与频率无关，电子吸收的能量也与频率无关，不存在截止频率！若用极微弱的光照射，阴极电子积累能量达到逸出功A 需要一段时间，光电效应不可能瞬时发生！ 2、爱因斯坦光量子假设（1905年） 为了解释光电效应，爱因斯坦假设： （1）光是由一颗一颗的光子（光量子）组成，每个光子的能量与其频率成正比，即 ν?=h E （2）一个光子只能整个地被电子吸收或放出，光量子具有“整体性”。 （3）根据能量守恒定律，电子在离开金属面时具有的初动能 A eU A m h a +=+=2v 2 1ν 上式即为光电效应方程。 利用爱因斯坦光电方程可以解释光电效应的瞬时性问题和红限频率问题。 3、光电效应的实验验证 Millikan 极力反对爱因斯坦的光子假说，花了十年测量光电效应，得到了遏止电压和光子频率的严格线性关系 ()? ??==?-==eK h eU A U K e eU m a m 002v 21ν 由直线斜率K 的测量可以确定（光电效应）普朗克常数。 爱因斯坦年由于他在光电效应方面的工作而获1921年诺贝尔物理学奖；R. A. Millikan （密立根），1923诺贝尔物理学奖得主，研究元电荷和光电效应，通过油滴实验证明电荷有
单光子探测器及其发展
单光子探测器及其发展 摘要：本文介绍了光电倍增管单光子探测器、雪崩光电二极管单光子探测器和真空单光子探测器以及它们的基本工作原理和特性，分析了它们各自的优缺点和未来的发展方向。 关键词：单光子探测；光电倍增管（PMT）；雪崩光电二极管（APD）；真空雪崩光电二极管（VAPD） 中图分类号：TP21.14 文献标识码：A 一、引言 单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性 物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物 发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、 量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。由于单光子 探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各发达国 家光电子学界重点研究的课题之一。 二、单光子探测器的原理及种类 单光子探测是一种极微弱光探测法，它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平（10-14W）还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。单光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其弱的信号识别并提取出来。这种技术和模拟检测技术相比有如下优点[1]： （1）测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它不稳定因素的影响较小； （2）消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量结果的信噪比；（3）有比较宽的线性动态区； （4）可输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字数据处理。 入射的光子信号打到光电倍增器件上产生光电子，然后经过倍增系统倍增产生电脉冲信号，称为单光子脉冲。计数电路对这些脉冲的计数率随脉冲幅度大小的分布如图1所示。脉冲幅度较小的脉冲是探测器噪声，其中主要是热噪声；脉冲幅度较大的是单光电子峰。V h为鉴别电平，用它来把高于V h的脉冲鉴别输出，以实现单光子计数。 可用来作为单光子计数的光电器件有许多种，如光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）、增强型光电极管（IPD）、微通道板（MCP）、微球板（MSP）和真空光电二极管（VAPD）等。 1、光电倍增管（PMT）单光子探测器 光电倍增管是利用光的外光电效应的一种光电器件，主要由光电阴极和打拿极构成。其工作原理如下：首先光电阴极吸收光子并产生外光电效应，发射光电子，光电子在外电场的作用下被加速后打到打拿极并产生二次电子发射，二次电子又
一种可吸收垂直入射光的管状量子阱红外探测器-Fudan
一种可吸收垂直入射光的管状量子阱红外探测器 王晗1,2，李世龙1，甄红楼1，李梦瑶1,2，聂晓飞1,2，黄高山3，梅永丰3*，陆卫1* (1.中国科学院上海技术物理研究所红外物理国家重点实验室，上海200083； 2.中国科学院大学，北京100049； 3.复旦大学材料科学系，上海200433) 摘要：基于传统的光刻和化学湿法腐蚀工艺，通过卷曲技术，提出一种三维管状量子阱红外探测器。该管状器件相比于未卷曲的平面器件，在垂直入射光照下，展现了优良的暗电流、黑体响应和光电流响应率特性曲线。当工作温度60 K，偏置电压0.45 V时，管状器件峰值响应率为20.6 mA/W，峰值波长3.62 μm，最大量子效率2.3%。从几何光学的角度分析了管状器件的垂直光吸收原理，进而揭示了一种特殊的光耦合方式。最后，进一步测试了不同角度入射光照射下的光电流响应率谱。由于微管的近似圆形对称性，器件具有很宽的视角，有助于红外探测系统的设计。 关键词：卷曲微管；红外探测器；量子阱；光耦合 中图法分类号：TN362 文献标示码：A 引言 量子阱红外探测器(quantum well infrared photodetector, QWIP)作为20世纪90年代发展起来的第三代红外探测器，具有材料生长工艺成熟、器件均匀性好、光响应速度快及波长连续可调等优点[1-2]，在国防、航空航天、天文观测和民用领域等有广阔的应用前景[3]。QWIP 基于量子阱的子带跃迁，即在吸收外界光子后电子从阱内的基态跃迁到第一激发态进而形成光电流来实现红外探测。由于量子阱的一维限制结构（电子在材料生长方向上受限），只有电场分量沿着量子阱生长方向的入射光才能被其吸收[4]。因此，QWIP存在着如何耦合外界光的问题。图1(a)为最简单的光耦合方式——布儒斯特角耦合[5]，器件响应和量子效率非常低；图1(b)为45o边耦合[6-7]，即入射光从器件边缘打磨出的45o斜面入射，这种方式不适用于大规模的焦平面阵列；此外，在器件表面制作出金属或介质光栅、随机发射层或波纹层后，器件可以实现光栅耦合[8-10]、随机反射耦合[11]或波纹耦合[12]，如图1(c)、1(d)和1(e)所示。由于QWIP的子带跃迁工作模式，其量子效率较带间跃迁红外探测器偏小。因此，为提高QWIP的量子效率，一些具有电磁共振效果的光耦合结构被广泛采用。图1(f)展示了一种光子晶体耦合结构[13]，它可以实现器件的窄带增强响应；图1(g)和1(h)分别为金属二维孔洞阵列耦合结构[14]和金属-绝缘体-金属微腔耦合结构[15]，同样可以提高器件的量子效率。值得指出的是，由于利用耦合结构的共振模式，这些QWIP只能实现窄带的响应增强。我们提出一种管状的量子阱红外探测器(tubular QWIP)，其无需额外的结构就能直接吸收垂直入射光，并具有宽视角和宽频率的响应特点[16]。 本工作介绍了三维管状量子阱红外探测器件的设计和制备，给出了该器件在60 K温度下的暗电流、黑体响应和光电流响应等电学测试结果，并从几何光学的角度理解了器件吸收垂直入射光的基本原理，最后探索了器件在不同入射角下的光电流谱。 ____________________________ 基金项目: 国家自然科学基金(51322201, 61575213), 上海市科学技术委员会(14JC1400200) Foundation items: Natural Science Foundation of China (51322201, 61575213), Shanghai Municipal Science and Technology Commission (14JC1400200) 作者简介(Biography):王晗(1986-), 男, 湖北随州人, 博士研究生, 主要研究领域为三维量子阱红外探测器. E-mail:
光电效应测普朗克常量讲解
什么叫光电效应？ 1)概述 在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应。 (2)说明 ①光电效应的实验规律。 a．阴极(发射光电子的金属材料)发射的光电子数和照射发光强度成正比。b．光电子脱出物体时的初速度和照射光的频率有关而和发光强度无关。这就是说，光电子的初动能只和照射光的频率有关而和发光强度无关。 c．仅当照射物体的光频率不小于某个确定值时，物体才能发出光电子，这个频率蛳叫做极限频率(或叫做截止频率)，相应的波长λ。叫做红限波长。不同物质的极限频率”。和相应的红限波长λ。是不同的。 d．从实验知道，产生光电流的过程非常快，一般不超过lO-9秒；停止用光照射，光电流也就立即停止。这表明，光电效应是瞬时的。 ②解释光电效应的爱因斯坦方程：根据爱因斯坦的理论，当光子照射到物体上时，它的能量可以被物体中的某个电子全部吸收。电子吸收光子的能量hυ后，能量增加，不需要积累能量的过程。如果电子吸收的能量hυ足够大，能够克服脱离原子所需要的能量(即电离能量)I和脱离物体表面时的逸出功(或叫做功函数)W，那末电子就可以离开物体表面脱逸出来，成为光电子，这就是光电效应。爱因斯坦方程是 hυ=(1/2)mv2+I+W 式中(1/2)mv2是脱出物体的光电子的初动能。 金属内部有大量的自由电子，这是金属的特征，因而对于金属来说，I项可以略去，爱因斯坦方程成为 hυ=(1/2)mv2+W 假如hυ