單光子探測器

單光子探測器是一款在量子光學(xué)、生物光學(xué)、激光測距等科研領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的儀器。近年來，隨著量子密碼的發(fā)展，單光子探測器作為單光子水平微弱信號檢測儀器，成為量子信號光電轉(zhuǎn)換的核心設(shè)備。

應(yīng)用范圍

? 量子密碼通信

? 量子光學(xué)、生物光學(xué)

? 激光測距

? 大氣、水環(huán)境探測

? 熒光壽命和熒光光譜學(xué)

? 時間分辨的單分子光譜學(xué)

單光子探測

單光子探測是一種檢測極微弱光的方法，在近紅外波段，雪崩光電二極管(APD)是探測極微弱光的主要器件之一。APD是一種能實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換且具有內(nèi)部增益的高靈敏度光電探測器，其工作電壓不高，噪聲相對較小，非常適合極微弱光信號(如單個光子信號)的探測。

由于單光子探測是在高技術(shù)領(lǐng)域的重要地位，他已經(jīng)成為各發(fā)達國家光電子學(xué)重點研究的課題之一。在量子密鑰分發(fā)、天文測光、分子生物學(xué)、超高分辨率光譜學(xué)、非線形光學(xué)、光時域反射等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，都涉及到極微弱光信號的檢測問題。在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，量子信息的載體是單光子，如何將攜帶信息的單光子探測出來是實現(xiàn)量子密鑰分發(fā)的關(guān)鍵。APD是實現(xiàn)單光子探測的核心器件。在單光子探測器設(shè)計中，為了開發(fā)APD的極限靈敏度，APD必須置于反向偏壓(Vb)稍高于雪崩擊穿電壓(Vbr)之上，即所謂的蓋格(Gerger Mode)模式下工作，使APD的雪崩增益M取較佳值MOPT，才能達到較高的探測效率。然而在蓋格模式時，APD的雪崩增益M不僅與環(huán)境溫度T還與其直流偏壓Vb的大小密切相關(guān)。

單光子探測技術(shù)在高分辨率的光譜測量、非破壞性物質(zhì)分析、高速現(xiàn)象檢測、精密分析、大氣測污、生物發(fā)光、高能物理、天文測光、光時域反射、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

單光子探測領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了很大的成就，但這還是不能夠滿足人們對高科技領(lǐng)域探索的需求。人們對單光子探測器將主要從兩個方面去研究，一方面，研制和開發(fā)有高靈敏度新型結(jié)構(gòu)的光探測器，另一方面，研究和改進探測器的外圍控制驅(qū)動技術(shù)，利用現(xiàn)有的探測器進行單光子探測。

單光子探測器可以對單個光子進行探測和計數(shù)，在許多可獲得的信號強度僅為幾個光子能量級的新興應(yīng)用中。利用單光子探測技術(shù)，可極大提高光譜測量的靈敏度和準(zhǔn)確性，靈敏度提高3-4個數(shù)量級，可實現(xiàn)對微量物質(zhì)成分的光譜分析，使化學(xué)成分檢測和安全檢查等系統(tǒng)達到超高靈敏度。單光子探測器（SPD）是一種超低噪聲器件，增強的靈敏度使其能夠探測到光的能量量子——光子。單光子探測將單光子激發(fā)的單個光電子信號放大，通過脈沖甄別和數(shù)字計數(shù)等技術(shù)識別提取極弱光電子信號，達到光電探測的超靈敏極限。