【摘要】：單光子探測器是一種超靈敏的光電轉(zhuǎn)換器件,可以檢測光的最小能量單位-即單個光子。單光子探測器在微弱熒光檢測、天文觀測、量子通信、遙感等研究領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。但是,由于白光背景干擾,使得傳統(tǒng)的單光子探測器極易發(fā)生飽和甚至損壞。并且,強背景光計數(shù)使探測系統(tǒng)的信噪比急劇惡化,無法有效甄別信號光子。白光噪聲在激光通信和測繪應(yīng)用中尤為突出,成為限制單光子探測技術(shù)在這些領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸。雖然,硅-雪崩二極管(SiAPD)單光子探測器發(fā)展成熟,在400-1000nm波段有良好的探測性能,但是仍舊存在飽和計數(shù)率低、無法分辨光子數(shù)、日盲紫外波段探測效率低等不足,在抑制白光背景方面仍需深入研究。本文提出了多通道單光子探測方法實現(xiàn)光子數(shù)分辨探測,從而提高探測系統(tǒng)飽和計數(shù)率,提高抑制背景噪聲能力�；贔PGA控制的多通道單光子探測器模塊,將多路SiAPD集中封裝在同一模塊中,通過FPGA編程控制產(chǎn)生SiAPD主動抑制電路所需的抑制和重置邏輯信號,并且通過FPGA采集計數(shù)脈沖,完成光子數(shù)分辨探測,從而大幅提高了多通道探測器的集成性能。另一方面,日盲紫外波段在近地環(huán)境中處于近似暗室環(huán)境,發(fā)展日盲紫外波段單光子探測技術(shù),有助于消除白光背景噪聲干擾。本文基于SiAPD單光子探測器,提出一種光學(xué)增強吸收結(jié)構(gòu),在不改變SiAPD器件結(jié)構(gòu)的前提下,可以將SiAPD單光子探測器在日盲紫外波段的探測效率從4.5%提升至10%。該方法在不改變現(xiàn)有SiAPD器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,提升了紫外探測性能,可支持日盲紫外波段背景光抑制的單光子探測應(yīng)用研究。本文實驗演示了基于多通道單光子探測模塊的自由空間激光通信,展現(xiàn)了集成單光子探測與光子數(shù)分辨為一體的多通道單光子探測模塊在抑制背景噪聲的優(yōu)勢,解決了單光子探測技術(shù)三維激光成像和自由空間激光通信等領(lǐng)域的應(yīng)用限制。
[Abstract]:Single photon detector is a super-sensitive photoelectric conversion device, which can detect the minimum energy unit of light, that is, single photon. Single photon detectors play an important role in the fields of weak fluorescence detection, astronomical observation, quantum communication and remote sensing. However, due to white background interference, traditional single-photon detectors are prone to saturation and even damage. Moreover, the signal-to-noise ratio (SNR) of the detection system is rapidly deteriorated by strong background light counting, which can not effectively identify the signal photons. White light noise is particularly prominent in laser communication and mapping applications, and has become the main technical bottleneck limiting the wide application of single-photon detection technology in these fields. Although the silicon-avalanche diode (SiAPD) single photon detector is mature and has good detection performance in the 400-1000nm band, it still has some shortcomings, such as low saturation counting rate, indistinguishable photon number, and low detection efficiency in the solar blind ultraviolet band. The suppression of white background still needs further study. In this paper, a multi-channel single-photon detection method is proposed to realize the photon digital resolution detection, which can improve the saturation counting rate of the detection system and the ability to suppress background noise. The multi-channel single-photon detector module controlled by FPGA encapsulates the multi-channel SiAPD in the same module, and generates the suppression and reset logic signals required by the SiAPD active suppression circuit through FPGA programming, and collects the counting pulse through FPGA. The integrated performance of multichannel detectors is greatly improved by completing photon digital resolution detection. On the other hand, the sun-blind ultraviolet band is in the near dark room environment in the near earth environment. The development of the single-photon detection technology in the solar blind ultraviolet band is helpful to eliminate the white background noise interference. Based on SiAPD single photon detector, an optical enhanced absorption structure is proposed. Without changing the structure of SiAPD device, the detection efficiency of SiAPD single photon detector in solar blind ultraviolet band can be increased from 4.5% to 10%. This method improves the UV detection performance without changing the existing SiAPD device structure, and can support the application of single-photon detection in the solar blind ultraviolet band background light suppression. In this paper, the free-space laser communication based on multi-channel single-photon detection module is demonstrated experimentally, and the advantages of multi-channel single-photon detection module which integrates single-photon detection and photon number resolution in suppressing background noise are demonstrated. The application limitation of single photon detection technology in 3D laser imaging and free space laser communication is solved.
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TN15

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本文編號：2203077