【摘要】：超導(dǎo)單光子探測(cè)器(SNSPD)是一種新型單光子探測(cè)器,具有探測(cè)效率高、暗計(jì)數(shù)低、探測(cè)速率快、靈敏度高、響應(yīng)頻譜寬等特點(diǎn),在量子通信、集成電路檢測(cè)、激光測(cè)距、氣象檢測(cè)預(yù)報(bào)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用潛力。海霧是一種常見(jiàn)的海面天氣現(xiàn)象,對(duì)漁業(yè)生產(chǎn)、航海及飛行安全等有著重要影響。激光氣象雷達(dá)是一種常用的海霧探測(cè)技術(shù),具有優(yōu)異的方位精度和距離分辨率,對(duì)背景噪聲的抑制效果顯著�；赟NSPD的激光氣象雷達(dá)主要應(yīng)用于探測(cè)云霧范圍和濃度、大氣濕度、空中風(fēng)場(chǎng)、空氣污染、污染物擴(kuò)散和氣象預(yù)報(bào)等。本文將SNSPD應(yīng)用到Mie散射激光氣象雷達(dá)系統(tǒng)當(dāng)中,根據(jù)大氣探測(cè)激光雷達(dá)方程推導(dǎo)出霧氣濃度公式。本研究測(cè)量了距離90 km以內(nèi)的回波信號(hào)分布,演算霧氣分布范圍和霧氣濃度,探測(cè)到了 42.3 km～63.5 km、53.2 km～74.2 km范圍的霧氣回波信號(hào),根據(jù)大氣霧氣濃度公式分別估算出不同時(shí)刻距離測(cè)量地點(diǎn)45 km處的霧氣濃度為103 Cm-3,距離測(cè)量地點(diǎn)55km處的霧氣濃度為303 cm-3,霧氣沿激光發(fā)射方向運(yùn)動(dòng)速度分量為13km/h,與實(shí)驗(yàn)天氣情況基本符合,論證了 SNSPD對(duì)遠(yuǎn)距離氣象探測(cè)能力。為了進(jìn)一步測(cè)量霧氣濃度分布,驗(yàn)證基于SNSPD激光雷達(dá)精確氣象測(cè)量、預(yù)報(bào)的可行性,本研究探測(cè)到了 31.6km～42.0km內(nèi)的霧氣回波信號(hào),根據(jù)霧氣濃度公式推導(dǎo)的霧氣分布。在31.6 km～42.0 km范圍霧氣濃度為150 cm-3左右,在36.8 km～37.8 km,霧氣濃度最大為265 cm-3,霧氣總體呈現(xiàn)中間濃度大,邊緣濃度小,符合霧氣分布特點(diǎn)。我們將測(cè)量數(shù)據(jù)與青島麥島附近使用“三用滴譜儀”直接測(cè)量霧氣濃度進(jìn)行比較,發(fā)現(xiàn)霧氣濃度變化區(qū)間基本吻合。
【學(xué)位授予單位】：南京大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN958.98;P715
【圖文】：

被超導(dǎo)薄膜吸收之后產(chǎn)生微小的熱量，而這微小的熱量使得超導(dǎo)薄膜變?yōu)殡娮钁B(tài)，逡逑由此引起了薄膜內(nèi)電流的變化，一般使用ＳＱＵＩＤ來(lái)檢驗(yàn)電流的變化，從而達(dá)到逡逑探測(cè)單光子的目標(biāo)。下圖１．３是一種常見(jiàn)的超導(dǎo)鎢膜ＴＥＳ的光學(xué)照片。逡逑３逡逑

ＳＮＳＰＤ是利用光子吸收在超導(dǎo)納米線條中激發(fā)非平衡態(tài)的熱電子效應(yīng)逡逑（ｎｏｎ－ｅｃｊｕｉｌｉｂｒｉｕｍ邋ｈｏｔ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｅｆｆｅｃｔ），來(lái)實(shí)現(xiàn)承光子檢測(cè)。通常使用熱島（ｈｏｔｓｐｏｔ）逡逑模型來(lái)解釋ＳＮＳＰＤ的基本工作原理，如下圖１．４所示：１．納米線被偏置在略低逡逑于臨界電流Ｉｃ的電流處（一般選擇９５％Ｉｃ）；邋２．超導(dǎo)納米線吸收光子后，納米線逡逑上的庫(kù)珀對(duì)被打散，從而形成一個(gè)熱點(diǎn)（ｈｏｔｓｐｏｔ），偏置電流只能從熱點(diǎn)區(qū)域兩邊逡逑傳輸：３．熱島兩邊的電流密度超過(guò)材料的臨界電流密度時(shí)，會(huì)導(dǎo)致超導(dǎo)納米線逡逑上形成一個(gè)電阻態(tài)；４．在電流熱效應(yīng)的作用下電阻區(qū)域逐漸擴(kuò)大，直至偏置電逡逑流被外接電阻吸收；５．納米線上電流減小，焦耳熱效應(yīng)減弱，同時(shí)由于襯底的散逡逑熱，納米線上電阻區(qū)域減�。唬叮{米線溫度恢復(fù)到環(huán)境溫度，電阻區(qū)域消失，重逡逑回超導(dǎo)態(tài)，等待下一個(gè)光子到達(dá)。逡逑４逡逑

：：ｖ逡逑１邋ｎｉｌ邋１１邋ｆｌｉ邋Ｉ逡逑圖１．３超導(dǎo)鎢膜的ＴＥＳ光學(xué)照片［１３］逡逑ＴＥＳ具有光子數(shù)分辨能力，而且對(duì)于通信波段１５５０邋＿的光子，其探測(cè)效率逡逑可達(dá)９５％以上，暗計(jì)數(shù)也極低，往往只有０．０１邋Ｈｚ，這對(duì)于量子通信具有極大的逡逑應(yīng)用價(jià)值，可以大大提高量子通信的準(zhǔn)確度，降低誤碼率。由于鎢薄膜具有極低逡逑的超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度，往往只有幾十ｍＫ，對(duì)制冷環(huán)境提出了很高的要求，因此也限逡逑制了它的推廣應(yīng)用。逡逑１．邋１．４．邐超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器（ＳＮＳＰＤ）逡逑ＳＮＳＰＤ是利用光子吸收在超導(dǎo)納米線條中激發(fā)非平衡態(tài)的熱電子效應(yīng)逡逑（ｎｏｎ－ｅｃｊｕｉｌｉｂｒｉｕｍ邋ｈｏｔ邋ｅｌｅｃｔｒｏｎ邋ｅｆｆｅｃｔ），來(lái)實(shí)現(xiàn)承光子檢測(cè)。通常使用熱島（ｈｏｔｓｐｏｔ）逡逑模型來(lái)解釋ＳＮＳＰＤ的基本工作原理，如下圖１．４所示：１．納米線被偏置在略低逡逑于臨界電流Ｉｃ的電流處（一般選擇９５％Ｉｃ）；邋２．超導(dǎo)納米線吸收光子后，納米線逡逑上的庫(kù)珀對(duì)被打散

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