单光子计数探测系统的线性性能研究

利用单光子计数技术对微弱光进行探测具有与其他模拟法相比的多个优势,如有好的抗漂移性、高的信噪比、较宽的线性区等。线性性能是探测器的基本性能之一,利用叠加法和距离平方反比法测量单光子计数探测系统的线性范围,当非线性因子为0.05时,利用叠加法实验测得系统线性响应计数率为3.9×10~5 Counts/s,利用距离平方反比法实验测得系统线性响应计数率为5×10~5 Counts/s。结果表明,两种方法测得响应线性度一致性较好。分析了电子学系统的漏计误差对探测器系统线性范围的影响。实验表明,通过缩短电子学系统中甄别器的死区时间(td)可以提高系统的线性范围。

基于单光子线性APD的信息提取算法研究

针对新型单光子线性APD器件获得信息维度多、灵敏度高的特点,提出了一种基于单光子线性APD的微弱回波信号距离信息提取算法。首先利用微弱信号的泊松分布特性对回波信号进行建模,随后对每纳秒内的回波光子数进行统计,利用与脉宽等宽的距离窗进行滑窗求和,将最大值位置作为信号脉冲接收时刻,进而反算距离信息。设计了跟踪前的目标搜索策略和稳定跟踪后的距离门匹配算法,有效降低了背景光干扰和计算资源消耗,在回波光子数分别为200、10、5个时分别获得了100、9993、9658的计算正确率。对单光子量级信号设计了脉冲积累算法,单个光子信号回波的计算正确率为995。同时对静止目标通过算法迭代实现了信噪比为0dB甚至负dB的信息提取,对003个光子信号回波探测的计算正确率为961。仿真结果表明该算法可以综合应用单光子线性APD的强度信息以及单光子灵敏度,实现了在极限灵敏域下的距离信息提取。

基于改进高速单光子探测器的复合跟踪控制系统设计

由于半导体红外、光电倍增管单光子探测器受到噪声数据的影响,使得光子计数统计结果不精准,导致应用跟踪系统后,存在控制效果差的问题;利用雪崩光电二极管探测入射光和雪崩现象,改进高速单光子探测器;通过反馈控制环节实现猝灭,终止雪崩,将电压恢复到偏置电压;利用改进后的探测器设计单光子探测信号检测电路,获得所需要的基准电平,完成复合跟踪控制系统的硬件结构设计;设计信号传输计数控制流程,并结合判别公式确定高速单光子探测器与单个因素跟踪度;调节单光子探测器发射触发信号,根据所得到的信号确定组合跟踪脉冲光子数,以此为依据调整跟踪方案,完成系统软件结构设计;实验结果表明,改进后的高速单光子探测器在复合跟踪控制系统应用中,在38.5 ns时计数达到220个,与实际结果一致,具有较好的跟踪控制效果。

超导单光子探测器用1~2K制冷机热力学优化

对工作在1~2K的超导纳米线单光子探测器(SNSPD)用多级脉冲管预冷焦耳-汤普逊(JT)的复合制冷机制冷性能进行了系统的热力学优化研究。阐述了该复合制冷机的结构设计和工作机理;基于热力循环分析提出了焓流模型,同时建立了适用于3 K以下温区的实际流体质量流量模型,并将二者结合,分析复合制冷机的性能;探讨了理想情况下净制冷量随末级预冷温度和上游压力的变化特性,应用所提出的模型通过离散参数拟合方法对二者进行优化。发现对于He-4和He-3工质,多级脉冲管末级最优预冷温度分别为11 K和8 K;以He-4为工质,该复合制冷机能在2.2 K的温度下提供85 mW以上的制冷量;以He-3为工质,能在1.0 K提供18.5 mW的制冷量,该性能能够满足SNSPD的实际应用需求。

针对线性调频无线电探测器的混沌码调相复合干扰方法

传统的间隔转发式干扰和多假目标叠加式干扰延时组数多、功率利用率低,当前数字射频存储干扰技术不断发展成熟,在针对线性调频无线电探测器中得到了广泛应用。本文提出一种基于数字射频存储的混沌码调相复合干扰技术,对单次延时的干扰信号进行混沌码调相,在保证欺骗干扰有效性的同时扩宽干扰信号频谱。理论分析和仿真结果表明:混沌码调相自适应复合干扰方法能够有效展宽干扰信号频谱,提高功率利用率和干扰成功率,从而实现小延时组数和高功率利用率。

银铜双金属纳米晶玻璃复合材料光学三阶非线性的研究

采用离子交换结合氢气热处理方法,制备出银铜双金属纳米晶玻璃复合材料。利用光学吸收谱,光克尔技术和泵浦探测技术研究了银铜纳米晶玻璃复合材料的线性和三阶非线性光学性能。结果表明,在400nm银的表面等离子共振吸收峰附近,测得复合材料的三阶非线性极化率为1.7×10-9esu,光响应时间为皮秒级;在800nm处泵浦探测结果表明,银铜纳米颗粒尺寸增大使得复合玻璃材料快过程时间缩短和慢过程时间延长。

水平井探测半径计算方法

根据质量守恒原理,将水平井转化为虚拟直井,然后通过状态方程将各个参数和压力联系起来,从而对水平井探测半径的计算方法进行研究。研究结果表明:①新推导出的探测半径计算公式在形式上表现为关于时间的非线性隐函数。②油井探测半径随时间的增长而增大,储层特性参数对探测半径与时间的典型曲线具有显著影响。③多区复合油藏水平井探测半径的曲线明显表现出复合油藏的多区特性。④N区复合油藏的典型曲线上出现N-1个拐点,拐点代表压力波对相邻2个区带界面的响应,内区半径的增大会使相应的拐点向右上角移动。

基于偏振无关分束器的两光子部分纠缠态的简化浓缩方案

经由偏振无关的光学分束器实现对未知两光子部分纠缠态的纠缠浓缩,包括利用单光子探测器的线性光学浓缩方案,和利用弱交叉Kerr非线性媒质、零拍探测的浓缩方案.两对部分纠缠的光子对中各一个信号光子同时通过偏振无关分束器后,当探测到分束器输出模中各有一个光子时,剩余的两光子将处于最大纠缠态.与以前的浓缩方案相比较,我们的浓缩方案不需要额外的Hadamard门对信号光子施加作用,所需要的光学器件较少,这增加了方案在实验实现上的可行性.

利用线性光学产生亚泊松分布量子态

非经典态的产生是量子光学、量子信息领域的研究热点。通常的方法是利用参量放大、高次谐波等非线性物理过程实现非经典态。最近的研究表明，采用线性光学与投影测量能够产生足够的非线性相互作用，利用线性光学完成量子计算在原理上是可行的。我们介绍一种新型量子光学器件——量子高低通过滤器。该器件由线性光学元件、单光子源及单光子探测器组成，可以实现光子数态的选择性通过。进一步，我们提出一种利用量子高低通过滤器产生光子数亚泊松分布光场的新方法。

利用Kerr非线性制备压缩态的叠加态和纠缠态

本文提出了一种制备压缩态的叠加态和纠缠态的实验方案，该方案涉及单光子源、光学分束器、单光子探测器、以及交叉Kerr非线性介质等。研究发现，与制备相干态的叠加态和纠缠态相比较，制备压缩态的叠加态和纠缠态所要求的交叉Kerr非线性系数较小。这一结果有着重要的实际意义，因为利用Kerr非线性制备相干态的叠加态和纠缠态的困难之一就在于一般介质的交叉Kerr非线性系数太小。

基于复合式闪烁体的x、γ剂量率测量电路设计

设计了一种基于复合闪烁体的x、γ射线剂量率测量电路,通过采用稳压管分压电路方法及切换量程方法,提升稳定性、减小非线性偏差;试验结果表明:电路性能稳定,线性度优异;在环境本底下,-10~40℃内,偏差小于10%;1.6~2 000 usv/h量程内,非线性偏差小于±4%。

上转换单光子探测器最新进展

单光子探测器的研制是量子光学和量子信息领域的一个重要研究课题.本文提出了一种基于长波泵浦频率转换技术和多模光纤耦合接收方法的新型上转换单光子探测器,有效的解决了上转换单光子探测器所面临的高噪声和系统不稳定等问题,成功获得最高量子效率为27%,噪声仅2800Hz的实验结果.该方法不仅降低传统上转换探测的噪声,并且大大提高了系统的稳定性,为实用化上转换单光子探测器提供了可能.

探测器非线性响应对能见度激光雷达的影响

在光子计数模式的激光雷达应用中,回波信号的动态范围大。激光雷达的远场回波信号处于探测器的线性输出区间,无需进行校准;近场信号基本处于探测器的非线性响应区,需要进行校准。为了提高远场信号的信噪比,提出了一种校准方法。依据脉冲激光雷达方程,使用远场信号反演得到修正的近场信号,并与接收的回波信号作比较,得到校准因子。进一步使用校准因子修正前后的数据分别反演了能见度,并与能见度仪的探测结果作比较。结果显示:对于未修正的数据,远场信号反演与能见度仪得到的能见度平均偏差和标准差分别为0.57km和1.89km,而近场信号的平均偏差大于10km。由修正后的数据得到的能见度与能见度仪的结果符合得很好,平均偏差和标准差分别为0.43km和0.76km。

以氦-4为唯一工质的1.8 K复合制冷机及其应用验证

量子信息技术和深空探测等领域的蓬勃发展,对2 K以下温区高可靠、长寿命、小型轻量化、高制冷效率低温制冷机的需求日益迫切,高频脉冲管耦合Joule-Thomson(JT)的复合制冷循环是实现这一目标的重要手段.目前国际上以该循环获得2 K以下温区的成功实践,均是在脉冲管分系统使用氦-4而JT分系统使用氦-3作为循环工质的情况下获得的.氦-3在地球上存量稀少、价格高昂,是阻碍这一循环在更广范围内实用化的关键瓶颈.本文对以氦-4为唯一工质的四级高频脉冲管耦合JT的复合制冷循环开展了理论与实验研究,分析了基于该循环获取2 K以下温度的关键难点和可行性,从采用间隙密封的直流线性压缩机的低压压力和多级间壁式回热器的低压侧压降损失入手,理论预测出在40 kPa系统充气压力下可实现1.1 kPa的压缩机吸气压力和438.6 Pa的低压侧总压降,从而能获得1.54 kPa的饱和蒸气压,此时采用氦-4节流可实现1.78 K的制冷温度.同时,在氦-4超流态工况下,分析了小界面温差的Kapitza热导对冷头蒸发器内超流氦热传递的影响,并给出了在此基础上JT循环参数优化的限制条件.设计出的制冷机的无负荷温度经过16.5 h从300 K降至1.8 K,且在360 h连续运行时间内温度波动不超过±6 mK,验证了理论的正确性和工质在超流状态下制冷温度的稳定性.随后开展了与实际超导纳米线单光子探测器(superconducting nanowire single-photon detector,SNSPD)的耦合联试,对SNSPD器件的系统探测效率和暗计数率的实际测试表明,所研制复合制冷机在采用氦-4为唯一工质条件下,依然可以为SNSPD提供1.84 K的工作温度以及良好的电环境,使其保持稳定可靠的工作状态.上述理论和实验突破不但将为SNSPD的未来空间应用提供可靠保障,而且也将为彻底打破该类复合制冷循环在更广领域内的实用化瓶颈铺平道路.

和频、差频共存的太赫兹波上转换探测理论分析

基于非线性频率上转换的太赫兹波探测技术具有灵敏度高、响应速度快、可室温操作等优点,现有理论研究中仅考虑了差频转换或和频转换,而这与实验中观察到的二者共存的物理现实并不一致。本文提出了在非线性频率转换过程中差频与和频共存时的理论方程,并以DAST晶体为例模拟分析了不同晶体厚度及泵浦强度下的太赫兹波探测情况。理论计算表明:和频、差频共存下各波变化趋势与单差频或单和频情况有所不同;和频过程的存在会降低差频过程的效率,若只考虑差频,则结果将有所偏差。在特定实验条件下,同时利用差频光与和频光,总信号输出强度更大,其探测效率高于单差频的情况;存在一个最佳的晶体厚度,使得总信号输出最强。进一步计算表明,基于非线性频率上转换的太赫兹单光子探测有可能实现。

机载三波长激光雷达系统

为适应中高空机载多波长激光雷达对地高分辨三维成像发展需求,实现光谱和水陆一体化探测目的,本文提出了一种三波长线性和单光子复合探测激光雷达系统,采用三波长阵列光束照明结合菲涅尔棱镜圆锥扫描方式,实现机载平台快速对地多波长三维成像.本文从系统工作原理出发,详细介绍了三波长激光光源模块、菲涅尔棱镜光束扫描模块、多波长共轴收发光学系统以及线性和单光子复合探测、采集、数据处理等部分.多波长激光共孔径收发、同步采集、处理、存储,保证了光谱与空间几何数据在空间和时间上的完整性和一致性,进而为多波长数据融合和水陆一体化探测提供数据支撑.为测试和评估机载三波长激光雷达的性能,首先进行了系统静态测试,完成了三波长3.6 km目标静态测距试验;然后进行了地面动态测试,完成了系统软硬件联调试验,成像数据与商业雷达基本一致;最后通过机载飞行试验,完成了城市、工业区、丘陵、水库等区域机载对地三波长三维成像,初步实现了水陆一体化探测和三波长线性与单光子数据在光谱和空间维度上的融合.

“2011中国光学重要成果”入选成果介绍

基于测量的关联空间的量子计算 采用线性光学器件配合辅助光子,利用单光子探测器进行后选择测量能够实现普适量子计算,它又分为传统的电流式量子计算和基于测量的一次性量子计算。在一次性量子计算中,