单光子探测器件的发展与应用
单光子激光雷达技术研究及应用
单光子激光雷达技术研究及应用第一章引言单光子激光雷达技术是指利用激光器发射单光子，通过探测器接收反射回来的单光子信号，进行精确定位和距离测量的一种新型激光雷达技术。
近年来，单光子激光雷达技术发展迅速，被广泛应用于地质勘探、遥感测量、环境监测、智能交通、机器人导航等领域。
本文将对单光子激光雷达技术进行深入研究，并探讨其应用及未来发展前景。
第二章单光子激光雷达技术原理单光子激光雷达技术的核心是单光子探测器（SPAD）。
SPAD 是一种高灵敏度的半导体器件，可以探测到单个光子的到达。
在激光雷达系统中，激光器向目标发射脉冲激光，光子经过反射后到达探测器。
探测器在接收到光子信号之后，会输出一个时间标记，用于确定反射光子的飞行时间。
通过测量飞行时间，可以计算出目标与激光雷达之间的距离。
第三章单光子激光雷达技术优势相较于传统的连续波雷达和调制雷达，单光子激光雷达技术有以下优势：1. 高分辨率：单光子激光雷达可以测量微小的距离变化，精度高达毫米级。
2. 高精度：单光子激光雷达可以实现无人机在空中的精确定位。
3. 适用范围广：单光子激光雷达可以测量不同环境下的距离和位置，包括空气、水和固体等。
4. 抗干扰性强：单光子激光雷达技术可以避免电磁干扰和光照干扰，提高了信号的可靠性和稳定性。
第四章单光子激光雷达技术应用单光子激光雷达技术已经被大量应用于各个领域：1. 地质勘探：单光子激光雷达可以探测到地下油气层，为石油勘探提供了更为精确的数据。
2. 遥感测量：单光子激光雷达可以测量地球表面的高度、结构和物质组成，用于制作三维地图。
3. 环境监测：单光子激光雷达可以检测大气中的污染物和游离基团，提高环境监测的精度和效率。
4. 智能交通：单光子激光雷达可以实现车辆、行人和障碍物的立体感知，提高了交通安全性。
5. 机器人导航：单光子激光雷达可以为机器人提供更为准确的环境感知，辅助机器人实现自主导航和定位。
第五章单光子激光雷达技术发展前景随着人工智能、物联网等新技术的迅猛发展，单光子激光雷达技术在下一代智能制造、智能交通及智慧城市建设中将发挥越来越重要的作用。
单光子检测技术的发展与应用
单光子检测技术的发展与应用光子是光的基本构成单位，它从一端传输到另一端时一直保持着自身的特性。
单光子检测技术就是检测光子的数量和时间精度，以满足对各种实验和应用的要求。
单光子检测技术的发展对于理论和实践方面都有重要的意义，在现代物理、信息科学、材料科学和生物医学等方面都有广泛的应用。
一、多通道单光子检测技术的发展传统的单光子检测技术一般采用光电倍增管，但它的量子效率和时间分辨率都不高。
近年来，多通道单光子检测技术逐渐发展起来。
它可以将多个光子检测通道串联起来，用于检测多个样本或对统计分析要求比较高的实验。
与传统的单个光子检测器相比，多通道单光子检测器的量子效率和时间分辨率都大为提高，拓展了光子检测技术的应用范围。
目前多通道单光子检测技术主要有两种类型：时间相关单光子计数（TCSPC）和多通道接收机（MCP）。
TCSPC采用一定的激光发射频率和强度，通过控制样品激发，得到光子计数率图谱。
它具有时间分辨率高、精度高的特点，可以用于荧光光谱分析、荧光成像和分子探针检测等。
MCP则通过增加大量的光子检测通道，实现了大范围、高分辨率、高速度的信号检测功能。
它适用于高精度物理实验、生物或化学分析和高速数字通信等领域。
二、单光子检测技术在信息加密领域的应用单光子检测技术拥有一定的信息加密能力。
它与激光等光源相结合，可以实现量子密钥分发（QKD），以实现全球通信网络的安全通信。
QKD采用了光子的量子计算技术，利用极强的干扰信号保护数据通信机密性，使黑客无法从中窃取数据信息。
它的安全级别可以达到理论上的不可破解，因此已引起广泛关注和研究。
三、单光子检测技术在生物医学领域的应用单光子检测技术在生物医学领域的应用十分广泛。
它可以检测分子自发辐射的信号，实现分子成像以及生物类似物质的分析等。
传统的生物检测技术的分辨率和灵敏度较低，往往会影响医学诊断的准确度。
而单光子检测技术，则可以有效提高检测分辨率和灵敏度，实现对生物组织和生物分子的定量分析和成像。
单光子探测器及其发展应用课件
暗物质探测
直接探测
在暗物质直接探测实验中，单光子探测 器用于探测暗物质粒子与原子核碰撞产 生的单个光子，以寻找暗物质存在的证 据。
VS
间接探测
在暗物质间接探测实验中，单光子探测器 用于探测暗物质湮灭或衰变产生的单个光 子，以研究暗物质的性质。
安全与防御
激光测距
在军事领域，单光子探测器用于激光测距和 目标识别，提高武器系统的精度和响应速度 。
类型与特点
类型
单光子探测器有多种类型，包括光电 倍增管、雪崩光电二极管和单光子计 数模块等。
特点
单光子探测器具有高灵敏度、低噪声 、快速响应等特点，能够在极低的光 子数密度下工作，广泛应用于量子通 信、量子计算、生物成像等领域。
应用领域
量子通信
生物成像
单光子探测器是量子通信中的关键器件， 用于实现安全的数据传输和密钥分发。
低温冷却技术能够提高单光子探测器的性能和稳定性。
详细描述
在低温环境下，探测器的性能得到提高，同时能够降低背景噪声和热噪声，从而提高探测器的信噪比 。这种技术需要使用低温冷却器或稀释制冷机等设备，以保证探测器在极低温度下稳定工作。
抗干扰技术
总结词
抗干扰技术能够提高单光子探测器的抗干扰能力和技术的发展，单光子探 测器有望实现更小尺寸和更高集成度 。
单光子探测器的关
03
键技术
高灵敏度探测技术
总结词
高灵敏度探测技术是单光子探测器的核心，能够实现单个光 子的探测。
详细描述
高灵敏度探测技术利用光电效应，将单个光子转化为电信号 ，从而实现对单光子的探测。这种技术需要高精度的光电转 换器件和优化的信号处理算法，以提高探测效率和准确性。
光电对抗
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。
基于单光子探测的观测系统开发与应用研究
基于单光子探测的观测系统开发与应用研究在当今物理和光学领域中，单光子探测已经成为研究的热点之一。
基于单光子探测的观测系统不仅具有高精度、高灵敏度和高分辨率等特点，还可以被广泛应用于量子信息、光学成像等领域。
本文将探讨基于单光子探测的观测系统的开发与应用研究。
一、单光子探测技术的发展在过去的几十年中，随着基于半导体器件的单光子探测技术的不断发展，人们实现了对单个光子的检测和观测。
这种技术已经被广泛应用于光学通信、量子通信、光学成像等领域。
在单光子探测技术中，常用的探测器有光电倍增管、超导单光子探测器等。
二、基于单光子探测的观测系统的开发随着基于单光子探测技术的发展，越来越多的研究人员开始开发基于单光子探测的观测系统。
这种系统能够实现高精度的测量和高分辨率的成像，因此被广泛应用于量子信息、光学成像等领域。
基于单光子探测的观测系统主要包括以下几个部分：单光子探测器、控制和测量系统、样品和光源。
其中，单光子探测器是关键的部分。
目前，常用的单光子探测器有基于光电倍增管的探测器和基于超导材料的探测器两种。
基于光电倍增管的探测器是非常常见的，它的优点是具有高效率和高灵敏度。
然而，它的缺点是需要噪声较低的环境，因此不太适合在实际应用中使用。
与之相比，基于超导材料的探测器则不仅具有高效率和灵敏度，而且可以在较高的噪声环境中使用。
除了单光子探测器，控制和测量系统也很重要。
在基于单光子探测的观测系统中，控制和测量系统负责检测样品的光学性质，并将结果传输到计算机中进行分析和处理。
同时，为了提高系统的精度和可靠性，还需要对样品和光源进行优化设计。
三、基于单光子探测的观测系统的应用研究基于单光子探测的观测系统已经被广泛应用于量子信息、光学成像等领域。
其中，量子信息是应用这种技术的重要领域之一。
量子信息是一种基于量子物理现象实现信息传递和存储的新型技术。
量子信息处理的基本单元是量子比特，也就是用来存储和处理信息的量子态。
由于基于单光子探测的观测系统能够实现精确测量和高效光源的控制，因此它被广泛应用于量子比特的实现和量子计算机的开发中。
单光子发射与探测技术的发展及应用
单光子发射与探测技术的发展及应用随着物理学和量子力学的飞速发展，单光子发射与探测技术也日益成熟，并广泛应用于通信、量子计算、医学等领域。
本文将介绍单光子发射与探测技术的发展历程、原理和应用。
一、单光子发射技术单光子发射技术是指在一个稳定的光源中产生一个单一的光子。
早期的单光子发射技术主要是通过一些狭缝和中心缝，将光子束缩小到微小的尺寸，然后通过减小光的强度来减少光子的数量，实现单光子发射。
这种方法虽然可行，但操作要非常精确，也比较复杂，容易受到来自光源的环境干扰。
随着技术的不断发展，出现了很多新的单光子发射技术，如基于超冷原子的单光子发射、基于单个量子点的单光子发射等。
超冷原子是最早的单光子发射来源之一。
物理学家通过不断减小温度，将气体冷却到几个微开尔文以下，使其在极低温下形成玻色-爱因斯坦凝聚体。
此时，原子会产生强烈的减速效应，使其停留在光诱导的陷阱中，随后进行激光冷却，最终产生单光子。
量子点是一种半导体结构，可以产生单光子。
通过将量子点添加到纳米结构中，可以产生单光子发射。
二、单光子探测技术单光子探测技术是指当光子到达某一位置时，将其转换为电信号进行检测的技术。
单光子探测技术主要有光电倍增器探测器、超导单光子探测器等。
其中，光电倍增器探测器是一种比较常见的技术，它将光子转换为电子，并将电子倍增，放大其信号。
这种技术具有检测灵敏度高、时间分辨率高等优点，但同时也受到光子吸收效应的影响，从而限制了其检测距离和灵敏度。
超导单光子探测器是一种能够在极低温下运行的技术。
它由超导材料、微波和光探测器组成，具有灵敏度高、探测距离远等优点，但需要针对不同光源进行不同的调整，操作和维护较为麻烦。
三、单光子技术的应用单光子技术广泛应用于通信、量子计算、医学、生物学等领域。
在通信领域，单光子技术可以用于实现秘密的密钥分发、光学量子计算等。
在医学和生物学领域，单光子技术可以用于分子成像、神经元成像等应用。
在量子计算领域，单光子技术可以用于量子纠缉、量子错误更正等方面，为量子计算的实现提供了关键的技术支持。
超导纳米线单光子探测器原理及应用-v4
目
录
摘要.............................................................................................................1 1 简介.......................................................................................................3 1.1 1.2 2 超导光辐射检测技术 .................................................................3 单光子检测：基本原理和评判依据 .........................................4
4
总结.....................................................................................................23
1 简介
1.1 超导光辐射检测技术
100 年前，荷兰人 Onnes 发现了神奇的超导现象【1】 ，超导应用发展进 程也从此拉开序幕。超导态对光波段的辐射较为敏感【2】 ，1994 年人类首次 成功实现了超导辐射探测器和超导测辐射热仪【3】 ，这得益于超导薄膜、微 加工技术和激光光源等学科的发展。在天文等领域的需求牵引下，出现了一 系列具有单光子灵敏度能量分辨率的超导探测器，它们工作温度通常在 1 开 尔文以下。 这类探测器包括： 超导隧道结 （STJ: superconducting tunnel junction） 【4】 ，电阻转变沿探测器（TES: transition edge sensor） 【5】和动态电感探测 器（KID: kinetic inductance detector） 【6】 。 十年前，Gol’tsman 等人利用氮化铌（NbN）纳米线首次验证了一类新 概念的超导探测器【7】 。这类探测器在可见光和近红外波段具有单光子灵敏 度，且其恢复时间和定时精度比现有的基于超导材料的单光子探测器具有数 量级的提升， 被称为超导单光子探测器 （SSPD： superconducting single-photon detector ）或超导纳米线单光子探测器（ SNSPD ： superconducting nanowire single-photon detector）*。此外，这类探测器可以工作在液氦温区（4.2K） ， 是较为成熟的闭合循环（机械）制冷技术可以实现的温度区间【8】 。SNSPD 在红外波段时间关联单光子计数（ TCSPC ： time correlated single-photon counting） 【9】方面具有很大的应用潜力，该领域已开始出现很多新的重要 应 用。 SNSPD 的主要竞争对手是固态单光子雪崩光电二极管（ SPAD: single-photon avalanche photodiode ） 。 而 大 尺 寸 的 光 电 倍 增 管 （ PMT: photomultipliers） 【10】目前已经被 SPAD 所取代。SNSPD 的波长响应范围 远高于硅 SPAD【11】 ；和 InGaAs SPAD【12】相比，SNSPD 在性噪比方面 具有明显的优势。SNSPD 在过去十年内已经成为一个研究的热点领域。目 前世界上很多研究小组都在开展相关的研究工作，并不断推动这个领域的发 展。本综述文章将概要介绍器件的工作原理、器件结构设计、制冷、器件材 料以及应用研究进展。
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。
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针对 PTM 和 APD 的特点 ,研究人员开发出了由两者结合而 成的真空雪崩光电二极管 (VAPD) 。VAPD 由光阴极和一个大光 敏面积的 APD 封装在真空容器中。入射光照到光阴极产生的 光电子 ,在强电场中被加速 ,与 APD 碰撞后产生大量电子空穴 对。两者增益可达 106 ,此外 ,VAPD 还具有低噪声和动态范围大 的优点。增强光电二极管 ( IPD) 则是让光电子经强电场加速聚 焦后打到半导体 PIN 结或肖特基二极管上而得到高的增益。
APD 的光谱响应范围很广 ,这是它的一大优点 ,其中 Si - APD 工作在 400nm～1100nm , Ge - APD 在 800nm～1550nm , InGaAs - APD 在 900nm～1700nm。尤其是在光纤传输损耗较 小的红外波段 InGaAs - APD 有很大优势 。APD 单光子探测 器具有量子效率高 、功耗低 、工作频谱范围大 、体积小 、工作电压
Abstract :The development and application of single - photon detectors are introduced. The operating principles of photomultiplier tube ( PMT) , avalanche
一定的级间电压 。对精密测量用光电倍增管要求有很高的 电源稳定度 ,各分压电阻链的设计要保证较高的线性度 。
光电倍增管的基本特性有灵敏度和光谱响应度 、线性 、 光谱响应 、增益和阳极暗电流 。对单光子探测来说 ,主要有 用的特性为与光谱响应度有关的量子效率 ,与入射光波长和 灵敏度有关的光谱响应特性 ,增益 (一般为 104～107) 和暗电 流 。一般倍增光电管阴极与阳极之间电压为上千伏 ,电子传 输响应时间为纳秒量级 ,光谱响应范围由光阴极材料决定 , 工作在近紫外及可见光范围 ,在该范围内量子效率一般在 30 %左右 。
1 光电倍增管 (PMT)
光电倍增管是利用外光电效应来探测光信号的电真空 器件 。主要由光阴极 、打拿级和阳极组成 。当光信号照射到 阴极表面时 ,光电阴极吸收光子并由外光电效应产生光电 子 ,光电子在 PMT 内强电场的作用下被加速后碰到打拿级并 产生更多的二次电子 ,这样经过多次加速与碰撞就产生足够 多的电子 ,由阳极收集并输出形成电流被检测出来 ,并且电 流的大小反映了光信号的强弱 。对于单光子探测 ,当单光子 打在阴极时 ,产生的光电流是离散的脉冲形式 。对脉冲进行 记数就可以确定光电子的数目 。
路 ,由于 APD 对温度变化非常敏感 ,其雪崩电压 、隧穿噪声 、 暗电流热噪声等都随着温度而变化 ,要使其稳定的工作必须 将其放在恒定的温度下 ,为了减少噪声应尽量降低 APD 的工 作温度 ,但温度的降低也导致灵敏度的下降 ,因此最好是根 据管子特性选择合适的工作温度 ,最近出现的半导体帕尔贴 电热制冷已取代传统的液氮制冷方式 ,能使 APD 工作在最佳 工作温度下 ,取得了很好的效果 。
收稿日期 :2007 - 03 - 20 基金项目 :湖北省教育厅重点科研基金资助项目 (编号 :2003A002) 作者简介 :张雪皎 (1980) ,男 ,湖北当阳人 ,三峡大学电气信息学院 硕士研究生 ,研究方向为微弱信号检测 。
图 2 APD 雪崩探测原理 用于单光子探测 APD 的两个最重要的特性是量子效率 和暗计数率 。量子效率与器件结构 、工作波长及光吸收区材
由于要使 APD 的灵敏度达到能探测单光子 ,其工作电压 要高于雪崩击穿电压 ,这种工作模式称为盖革模式 。在盖革 模式下 ,任何光子的吸收都会产生自持雪崩 ,如不加以抑制 将导致 APD 的损坏 ,所以需要抑制电路进行控制 。早期有无 源抑制和有源抑制电路 ,这种电路使 APD 处于高于雪崩电压 状态 ,对其寿命有不利影响 ,并且由后脉冲和散粒噪声导致 的暗记数很多 。后来又发展了门控模式 ,即让 APD 两端的电 压低于雪崩电压 ,当光子要到达时向 APD 提供一个门脉冲电 压使其处于接受单光子状态 ,雪崩过后即将门关上使 APD 两 端电压恢复到低电压状态 。门模式可以更有效的降低猝灭
全主动抑制 电 路 是 最 近 刚 出 来 的 一 个 技 术〔11〕, 其 原 理 为用精确的时序开关控制电路雪崩猝灭与恢复过程 ,将雪崩 信号反馈到 APD 加速其猝灭 ,而后将与 APD 串联的高阻切 换为低电阻从而达到快速充电恢复的目的 。此方式使死时
间缩短至 120ns ,记数率达到 8MHz 以上 。 对 APD 外围电路的改进另一方面是增加或改进制冷电
ZHANG Xue - jiao ,WAN Jun - li
( The College of Electrical Engineering & Information Technology , China Three Gorges University , Yichang 443002 ,China)
IPD 具有高的量子效率、大的波长范围 (400～700nm) 及低噪声和 高响应速度。对 VAPD 和 IPD 需要进一步研究以优化结构改善 其性能减小体积和提高性价比 。
3 超导体单光子探测器 (SSPD)
相对于前面两种在市场上应用的较多较成熟的晶体管 探测器来说 ,基于 NBN 的超导体单光子探测是近几年发展 起来的一项新技术〔13 ,14 ,15〕,国内报道并不多 。其工作原理如 下 ,使器件工作于低于 NBN 的临界温度 (10 - 11K) 的超导转 换温度 (4. 2K) , 偏 电 流 接 近 临 界 电 流 ( SSPD 一 般 是 10 ～ 30μA) ,光子被吸收将使超导体吸收点的弱束缚库珀电子对 断裂形成有弱电阻的“热点”,在最初热化时 ,热点区域扩大 , 热电子从热点中心向外扩散 ,超电流被有阻碍的热区向边缘 排开 ,导致临界电流密度局部增加和形成电阻片段 ,如果重 分配的电流密度超过临界值 ,将会使相态发生变化 ,超导电 性被破坏 ,生成的电阻使器件产生与电流成比例的电压脉冲 信号被放大和探测出来 。～30ps 后 ,扩散的受激电子冷却下 来 ,热区消失 ,系统又恢复到原来的状态准备接受下一个电 子 。热点形成及电流变化如图 3 (1) 。
《激光杂志》2007
张雪皎等 :单光子探测器件的发展与应用 年第 28 卷第 5 期 LASER JOURNAL
(Vol .
28.
No
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单光子探测器件的发展与应用
张雪皎 ,万钧力
(三峡大学电气信息学院 ,宜昌 443002)
提要 :介绍了最近几年单光子探测技术的应用和研究进展 。阐述了光电倍增管 、雪崩光电二极管和超导单光子探测器的基本工作原理 ,分 析了它们的相关参数并进行了比较 。讨论了各器件的工作特点及优缺点 ,最后对单光子探测技术应用发展前景作了展望 。
Then give a view for the perspective and the development of these devices.
Key words :single - photon detector ;PMT;APD ;SSPD
随着探测技术的发展 ,人们对信号探测灵敏度的要求逐 渐提高 ,新的材料的运用和探测手段的进步可以将被噪声覆 盖的微弱信号探测出来 。在微弱信号探测领域中 ,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 (OTDR) 、量子密钥分发系统 (QKD) 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 。
由于 PMT 具有高增益 ,低噪声等效功率 (暗电流小) 等优 点 ,在光电检测领域获得广泛的应用 ,但它也有些缺点限制 了在某些方面的应用 ,如体积庞大 、反向偏压高 ,只能工作在 超紫外和可见光谱范围使其无法在红外通信波段中应用 ,抗 外磁场差 ,使用维护复杂等 ,因此不少国家和机构投入大量 人力Βιβλιοθήκη 力继续对 PMT 进行研究改进 。
目前对 PMT 的改进一般有选用新的光阴极材料以拓宽 光谱响应范围 ,使用棱镜改变入射角和改变光电阴极构型来 提高光阴极光子吸收能力〔7〕,改变打拿级的形状及数量 (如 微通道板〔9〕) 以增加增益 ,在外电路方面优化分压电路以提 高线性度〔6〕,采用半导体制冷器件来降低暗电流以减小暗记 数脉冲和提高量子效率〔10〕。
料有关 ,在 400 - 900nm 范围 ,盖革模式下 ,硅 APDs 可以达到
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《激光杂志》2007
张雪皎等 :单光子探测器件的发展与应用 年第 28 卷第 5 期 LASER JOURNAL
(Vol .
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60 %的光子探测效率 ,暗计数低于 100 每秒 。对于长波长范 围 ,有报道用 InGaAs - InPAPD 对 1550nm 可以达到 10 %的光 子探测效率 ,50 %的量子效率〔12〕。暗记数率起因于后脉冲记 数 ,隧穿效应 ,散粒噪声及热噪声等 ,与 APD 两端偏压 ,温度 , 过剩噪声因子等因素有关 。
时间和减少恢复时间与暗记数 ,并且延长了 APD 的工作寿 命 。通过门控方式 ,使由于热激发而产生暗记数的概率大大 降低 。因此现在大多数单光子探测研究用的 APD 电路都用 门控模式 。但要保持门脉冲与光子到达同步 ,尤其是远距离 传输时怎样使光子到达时门刚好打开 ,这是需要研究的一项 课题 。
APD 的内部制作工艺也在不断的改进中 ,相对于传统的 线性倍增 APD ,测单光子用 APD 要考虑到光子信号离散的特 点 ,改进器件以达到减小暗电流热噪声的目的 ,如采用表面 平坦结构增大光敏面积 ,分离吸收和倍增区 ,改进掩膜和扩 散技术对边缘弯曲部分的处理 ,在边缘增加安全环结构以降 低边缘击穿可能性等都为减小暗记数率而考虑〔16〕。