相关光子自校准微光辐亮度计的光学设计

为满足气候监测、微光辐射计量、单光子计量等定量应用需求,设计了基于相关光子自校准的紧凑型三通道微光辐亮度计,其光谱范围为460~1550nm,辐亮度测量范围为1×10^(-9)~1×10^(-6)W/(cm^(2)·sr·nm)。设计时考虑整机的集成化、小型化和模块化,将8个光谱波段集成为三通道结构。其中可见光近红外波段采用自由空间耦合,短波红外波段采用多模光纤耦合方式。通过设计优化分析,微光辐亮度计的第一、二通道的聚焦光斑满足Si单光子探测器光敏面300μm像元要求,第三通道的聚焦光斑满足多模光纤62.5μm芯径和0.22数值孔径要求,三个通道的聚焦光斑均可被单光子探测器光敏面接收,满足设计目标,可为后续的工程化应用提供参考。

基于相关光子对的单光子探测器量子效率校准技术研究

随着量子技术的发展,对极微弱光辐射的研究方向逐渐向量子化发展,利用相关光子对法对单光子探测器的相关参数进行测量。介绍了相关光子对法的原理及相关光子源中非线性晶体的关键参数设计方法,利用波长355 nm的激光器作为泵浦光源,泵浦相位匹配角为36°的BBO非线性晶体,实现了(450~1 675)nm的相关光子输出;泵浦相位匹配角为28.1°,32.91°,31.29°的BBO非线性晶体,实现了460 nm和1 550 nm,632.8 nm和807 nm,1 064 nm和532 nm的相关光子对共线输出。在460 nm,1 550 nm,632.8 nm,1 064 nm波长点利用符合测量对单光子探测器的量子效率进行测量,为实现多波长点至全波段单光子探测器校准奠定基础。

基于相关光子的单光子探测器量子效率测量系统

为准确测量近红外波段单光子探测器量子效率,搭建了基于自发参量下转换效应的测量系统.系统利用中心波长为518nm的脉冲激光泵浦周期极化磷酸氧钛钾晶体,通过自发参量下转换过程产生相关光子对,分别测量了Si和InGaAs雪崩光电二极管单光子探测器在778nm和1 550nm波长点的量子效率,并对测量不确定度进行了分析.实验表明,该装置可以测量近红外单光子探测器量子效率参量,测量不确定度均优于1%.

相关光子符合计数的实现及修正

为了实现利用非线性晶体自发参量下转换(SPDC)产生的相关光子测量光电探测器量子效率,对相关光子符合计数装置的设计及符合计数方法的系统修正进行了研究。介绍了SPDC相关光子的产生机理以及利用其进行光电探测器量子效率测量的原理。设计了两种不同的符合计数装置,"门控双通道光子符合计数装置"和"基于TAC/MCA的符合计数装置"。分析了两种计数装置符合结果的偶然符合、丢失符合、符合器死时间、探测器死时间等误差,并分别给出了修正因子及修正因子的计算和测量方法。结果表明:修正后两种方法量子效率测量结果的一致性<0.4%,均能满足量子效率符合测量的需要,提出的修正方法也具有很好的可操作性。

相关光子方法绝对定标光电探测器量子效率应用研究综述

相关光子是由强光泵浦非线性晶体的自发参量下转换(spontaneous parametric down conversion,SPDC)效应而产生的。文中从量子理论简要说明相关光子的产生机理以及经典光学解释。阐述了相关光子方法定标探测器量子效率的原理,对比传统定标方法,指出相关光子方法的优点。总结了该领域的最新研究进展,分析了这些方法的基本思想和各自的优缺点。提出下一步研究的方向以及可实现的方法,展望了该领域的发展前景。

解二维时间相关光子扩散方程的交替方向隐式法

研究了应用交替方向隐式法求解非均匀生物组织中的二维时间相关光子扩散方程,并同解析解以及MonteCarlo模拟的结果作了比较,数值结果表明,该方法具有较好的稳定性和较高的精度.

基于相关光子宽谱段自校准辐射基准源的定标新方法

针对我国空间科学的未来发展和应用需求,以及目前星上定标和在轨定标方法的局限性,提出一种基于自发参量下转换效应的自校准宽谱段(450~1500 nm)辐射基准源设计方案。该辐射基准源系统主要由宽波段参量下转换、观测与自校准复用光路、多路光子计数与符合探测、信号采集与测量控制等4个主要功能模块构成。辐射基准源兼有星上自校准和自主观测功能,能够在不依赖于外部基准的条件下实现高精度的自校准,保障对地高精度观测,为其他卫星有效载荷提供高精度的量值传递标准。

Ⅰ类自发参量下转换相关光子圆环的时间相关特性研究

基于自发参量下转换产生相关光子的定标方法具有基于客观物理效应、无需溯源的优点,有望成为未来光辐射定标技术发展的新趋势.目前利用该技术定标光子计数型探测器的最低不确定度为0.18%,仍有进一步提高定标精度的潜力.由于相关光子圆环具有高光子速率特性,能够显著提高定标过程中信号光和空闲光的光子速率.为了提高该方法定标精度及利用相关光子定标模拟探测器,研究相关光子圆环的时间相关特性具有非常重要的意义.本文理论计算了Ⅰ类自发参量下转换产生的宽谱段相关光子圆环出射角度的空间分布,使用ZEMAX光学设计软件设计了用于接收宽谱段(450—1000 nm)相关光子圆环并能够滤除抽运光的光学系统,利用微光相机拍摄到了光学系统接收的430—860 nm波段的相关光子圆环;搭建了双通道相关光子圆环时间相关特性测量系统,观测到了1 m W连续激光器抽运非线性晶体产生的685 nm和736.89 nm波段相关光子圆环对具有明显的符合峰现象,从实验上验证了Ⅰ类自发参量下转换产生的相关光子圆环具有时间相关特性.

基于相关光子的光电探测器量子效率定标研究

介绍了一种新型的辐射定标方法，利用二极管泵浦的、倍频的固体钛宝石连续激光器倍频后产生的351nm紫外激光抽运非线性BBO晶体，定标了光电倍增管在633 nm、702 nm和789 nm的量子效率，介绍了测量原理和实验装置，观察到符合峰现象，分析了触发通道滤光片的带宽、探测器的位置校准、以及探测器死时间对测量结果的影响，最后分析了这种定标方法的不确定度，定标结果的相对合成不确定度低于5.8%。这种方法可以发展成为一种高精度的新型辐射定标方法。.

基于相关光子定标光电探测器量子效率的基本模型

相关光子是由强激光泵浦非线性晶体的自发参量下转换效应产生的。从两方面阐述了对探测器量子效率的定标,包括光子计数型探测器和模拟探测器。针对每一方面详细地介绍了目前主流的定标方案,并给出了详细的理论表达式及实验方案。根据理论分析其优点及缺点,并与传统的定标方法进行比较。重点对模拟探测器量子效率的定标在不同方案下的应用范围及表达式进行归纳,总结了探测器定标的最新进展,分析了这些方法的基本思想。提出下一步研究方向及可实现的方法,展望该领域的发展前景。

基于连续和脉冲激光泵浦的相关光子实验比对

为在相关光子定标技术工程化过程中选择合适的泵浦机制及相位匹配模式,开展了基于连续和脉冲激光的相关光子比对实验.采用355nm连续激光泵浦偏硼酸钡晶体产生相关光子对,对晶体吸收、透射损耗以及光学元件透过率进行测量和修正,同时使用基于时间幅度转换的符合测量方法,得到单光子探测器量子效率为59.15%.利用518nm脉冲激光泵浦周期极化磷酸钛氧钾晶体,采用准相位匹配技术获取相同波段的相关光子,基于时间幅度转换的符合测量方法得到单光子探测器量子效率为59%.比对实验结果,两套定标装置方法的测量结果之差在0.25%以内,主要误差来源于单光子探测器的响应非线性、光路透过率修正误差和单光子探测量子效率面非均匀性.实验结果验证了相关光子定标技术可随时随地复现的优点,以及相关光子定标结果不受泵浦机制差异和实验装置差异的影响,可为相关光子技术工程化中的激光器工作模式和相位匹配方式的选择提供参考依据.

多波段相关光子光谱分布与时间相关性测量实验研究

基于相关光子的定标技术能够实现＂无标准传递＂绝对定标,研究相关光子的光谱辐射特性及时间相关特性对遥感器在宽波段的辐射定标具有重要意义。为满足光电探测器在宽谱段量子效率定标需求,基于相关光子的定标技术有必要从单一波段向更多波段扩展。根据自发参量下转换所满足的相位匹配条件,推导出相关光子在晶体内的非共线角计算公式,通过数值模拟相关光子光谱辐射角度分布规律,优化晶体相位匹配角,使得自发参量下转换产生的相关光子具有宽光谱分布,并且相关光子辐射角度与光谱波长能够一一对应。根据光谱分布数值模拟结果,建立了多波段相关光子的光谱分布和时间相关性测量实验系统,利用该系统测量了四对相关光子的光谱分布、符合计数、相关时间以及偏振特性。其中,测量的光谱分布范围为633~808nm,最大光谱分布测量偏差为1.51mm,光谱分布实验测量结果与数值模拟结果符合一致;测量了四对相关光子对的相关时间,最小相关时间为0.32ns,并在实验中观察到了＂符合三峰＂现象;相关光子单光子计数及符合计数与泵浦光的偏振方向呈正弦函数关系。实验研究表明,相关光子对具有可见光~近红外宽波段分布、时间相关及偏振特性。论文研究结果在国内外尚属首次报道,该研究结果有望应用于光电探测器在多波段的辐射定标。

宽波段参量下转换的相关光子速率分布测量

为实现基于相关光子的光电探测器在连续宽波段量子效率定标，研究相关光子光谱和速率分布具有重要意义。通过理论模拟相关光子光谱和速率分布规律，建立了连续宽波段相关光子光谱和速率分布测量实验系统，利用该系统测量了450-700nm连续宽波段相关光子的光谱和速率分布，将实验测量的光子速率分布与理论模拟结果进行比较，两者曲线形状相关系数为99．39％，表现出高度的一致性。实验结果表明：相关光子具有连续宽波段光谱分布，有望为实现基于相关光子的光电探测器在连续谱量子效率定标提供理论依据和实验指导。

基于PPLN晶体的高通量相关光子制备

利用基于参量下转换产生的相关光子可以实现"无溯源"的绝对定标.该定标方法推广应用于模拟探测器定标的过程中,其中获取高通量的相关光子是一个重要的难点.介绍了一种基于自发参量下转换制备高通量相关光子的方法原理和实验装置。采用532 nm连续激光泵浦周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体,在满足准相位匹配(QPM)方式下产生高通量的纠缠光源,改变泵浦光源的功率,实验结果显示具有较好的线性.叙述了准相位匹配技术原理,搭建了制备高通量相关光子的实验装置,并优化了泵浦激光光源和各光学元器件的设计参数。该研究结果为后期进行高精度定标和模拟探测奠定了基础。

硅基微环腔相关光子对光源输出特性研究

硅基微环腔的结构参数、半导体特性和工艺形貌会对相关光子对输出重复频率产生重要影响。将晶体硅非线性损耗计入输出重复频率的仿真计算,推导出全通型硅基微环腔自发四波混频效应模型,并利用该模型研究了全通型硅基微环腔品质因数、微环腔半径、晶体硅自由载流子寿命等参数对输出重复频率的影响.结果表明,当外品质因数取值5×10~4,抽运功率达到15 mW且继续升高时,输出重复频率反而降低;理想情况下微环腔半径越小,输出重复频率越高;对硅基微环腔相关光子对光源而言,提高输出重复频率的首选方案是降低自由载流子寿命。

一种对高速运动目标的单光子测距方法

作为一种前沿的激光探测技术,单光子激光测距技术已成功应用于月球测距、卫星测距和地面测高等领域。然而,单光子测距在机载空对空、地对空平台上对高速运动目标进行跟踪测距时,回波光子落在不同的时间窗,导致直接计数无法有效提取信号的问题仍需解决。针对空对空条件下单光子激光测距的应用需求,基于时间相关光子计数技术设计一种适用于全天时、宽时域、多噪声条件下对高速运动目标的单光子测距方法。该方法采用阵列单光子探测器和相邻时间窗相关统计多帧处理算法提取激光回波光子信号,并在Matlab平台上对算法进行仿真实验,使用多元阵列单光子探测器实现最大测程百公里以上、背景噪声计数率约为5 MHz、单脉冲回波光子计数平均值为1条件下的回波光子信号提取。该方法能够克服传统单光子探测只能对准静态目标测距,只能在小接收视场和小波门范围等弱背景噪声及目标轨迹可预测条件下应用的限制,将单光子探测由只能固定平台夜晚对准静态目标测距推广至通用平台全天时对高速运动目标测距。

基于相关光子的光辐射定标方法研究

为提高定标精度,提出一种基于相关光子的光辐射定标方法,它是一种独立于基于辐射源和基于探测器的定标方法。利用351．1 nm的激光抽运BBO晶体产生的相关光子,建立了一套基于相关光子的光辐射定标系统,分析了它的原理和实验装置,给出符合测量系统,并对结果进行了讨论。结果表明,该系统定标的光电倍增管(R2949)在702．2 nm的量子效率为(5．960±0．003)%,与其在这一波长的量子效率典型值的相对误差约为1．0%,测量结果的相对合成标准不确定度为2．61%。

基于相关光子的InSb模拟探测器绝对量子效率定标方法

利用基于参量下转换产生的相关光子可以实现"无溯源"的绝对定标.该方法推广应用于模拟探测器定标的过程中,准确获取光电脉冲对应的电荷量统计参数是主要难点.本文提出了一种新的光电流概率统计模型,假定某一时刻采集的电荷量概率是所有脉冲可能包含电荷量的概率叠加,对概率函数进行拉普拉斯变换和高阶求解偏导,获得了光电流波动与各通道一个光电脉冲包含电荷量波动之间的关系.为了精确获取该统计模型需要的平均光子计数,消除光电倍增管的非线性效应和脉冲堆积效应,本文测量了不同功率下的光子速率和输出光电流,通过对光电流输出曲线与光子计数曲线匹配,获得了定标模拟探测器时的光子速率,最终实现.按照上述理论开展了光电转换型In Sb模拟探测器在3.39?m的绝对量子效率定标实验,转换为绝对功率响应度与国内计量单位的测量结果进行了比较,相对偏差为3.00%,本文定标方法的相对合成不确定度为7.24%.该研究结果为相关光子方法定标模拟探测器提供了基本理论模型和应用参考.

高浓度超细颗粒的后向光子相关光谱测量技术研究

针对光子相关光谱颗粒粒径测量法不能在线测量高浓度超细颗粒的问题,通过分析溶液浓度对光子相关光谱测量法的影响,设计了一种后向散射光路,提出了后向光子相关光谱测量法.实验采用50nm、100nm以及500nm三种标准乳胶球颗粒,在不同的浓度下分别用两种方法进行了测试.结果证明,后向光子相关光谱测量法能有效抑制多重散射的影响,适用于高浓度超细颗粒粒径的在线测量.

用光子相关光谱法测定纳米TiO_2粒度分布的分散方法研究

采用光子相关光谱法测试锐钛型纳米TiO2的平均粒度时不同分散方法对测试结果的影响。通过控制超声时间、分散剂用量、Zeta电位等条件找到了适于该法测试纳米粉体的最佳分散条件。实验结果表明:当选用浓度为0.1g/50ml,六偏磷酸钠为分散添加剂时,对分散体系超声分散15min,调节pH>4的条件下,为用光子相关光谱法测定纳米TiO2粒度的最佳分散方法。