本發(fā)明涉及單光子探測器，具體涉及一種單光子探測器探測效率的標(biāo)定裝置及方法。

背景技術(shù)：

先進(jìn)探測技術(shù)的發(fā)展往往能夠帶來科學(xué)發(fā)現(xiàn)上的重大變革。靈敏度達(dá)到量子極限的單光子探測器，不僅適用于極微弱光譜的檢測，而且是量子信息研究的關(guān)鍵所在。隨著單光子計數(shù)技術(shù)的不斷發(fā)展，單光子探測器廣泛應(yīng)用于量子通信、天文測光、超高分辨率光譜學(xué)、非破壞性物質(zhì)分析等領(lǐng)域。得益于半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，不斷有新的單光子探測器原理和技術(shù)出現(xiàn)，研究者不斷地尋求單光子探測器性能指標(biāo)的突破，如提高探測器的探測效率、發(fā)展多光子分辨能力和拓展波長相應(yīng)范圍等。目前常用的單光子探測器主要有光電倍增管(PMT)、雪崩光電二極管(APD)、超導(dǎo)類單光子探測器等，雖然各類型的探測器工作機(jī)制不同，但決定其應(yīng)用的主要是探測性能參數(shù)和工作條件。其中，探測效率作為單光子探測器的關(guān)鍵性能參數(shù)，直接決定了單光子探測器在實際應(yīng)用中的領(lǐng)域和測量精度。

目前常用的用于標(biāo)定單光子探測器探測效率的方法有激光衰減法、相關(guān)光子定標(biāo)法和同步輻射源法。

激光衰減法是通過對激光光源進(jìn)行大動態(tài)范圍的衰減使光功率達(dá)到單光子水平，該方法的關(guān)鍵是如何對大動態(tài)范圍的衰減進(jìn)行精確測量，目前該方法最為常用但精度有限，一般測量不確定度在5％左右。測量精度不高的原因在于首先要保證激光光源較穩(wěn)定的情況下對輸出光功率進(jìn)行準(zhǔn)確測量。其次，由于單光子水平的光功率極其微弱，要對激光光源進(jìn)行大動態(tài)范圍的衰減(至少10⁶倍)，若使用單個衰減片進(jìn)行衰減，通常使用探測器來測量衰減片的衰減倍數(shù)，但探測器的響應(yīng)線性在如此大動態(tài)范圍內(nèi)很難保證；若使用多個衰減片串聯(lián)測量，雖然單個測量精度得到提高，但又增加了測量環(huán)節(jié)，測量精度的提高十分有限。

相關(guān)光子定標(biāo)法是指利用非線性光學(xué)參量轉(zhuǎn)換效應(yīng)產(chǎn)生糾纏光子對，該方法是一種“無標(biāo)準(zhǔn)傳遞”方法，無需溯源至客觀計量物質(zhì)，但基于該方法的測量裝置和過程較為復(fù)雜，一是需要對參與非線性參量轉(zhuǎn)換過程的晶體進(jìn)行相位匹配設(shè)計，二是為保證較高的信噪比，需要對兩相關(guān)光子進(jìn)行窄帶濾波并進(jìn)行精確的相關(guān)通道透過率測量，再就是需要配備昂貴的符合測量裝置。若要在特定波段內(nèi)對單光子探測器探測效率進(jìn)行測量，可能需要設(shè)計不同周期的晶體及對應(yīng)波長的分光、濾光器件，整套裝置會極為復(fù)雜龐大?？蓞⒖贾袊鴮＠继朇N1467488A“單光子探測器量子效率的絕對自身定標(biāo)方法及其專用裝置”。

同步輻射源屬于大型科學(xué)裝置，其輸出光功率通過計算得出，但其成本極高、效率低且耗時間，很少有類似研究發(fā)展，一般不會用于單光子探測器的直接標(biāo)定，無法普及使用。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種單光子探測器探測效率的標(biāo)定裝置及方法，可直接對單光子水平光輻射進(jìn)行測量，具有極低的暗噪聲，可在單光子水平直接對光功率進(jìn)行測量，從而實現(xiàn)單光子探測器探測效率的直接標(biāo)定。

本發(fā)明的單光子探測器探測效率的標(biāo)定裝置，包括光學(xué)暗室(101)、制冷型陷阱探測器(102)、溫度控制器(103)、開關(guān)積分放大器(104)、精密位移臺(105)、單光子探測器(106)；所述制冷型陷阱探測器(102)、開關(guān)積分放大器(104)、精密位移臺(105)設(shè)置在所述光學(xué)暗室(101)的內(nèi)部；所述溫度控制器(103)用于控制制冷型陷阱探測器(102)的溫度；所述開關(guān)積分放大器(104)的輸入端連接所述制冷型陷阱探測器(102)的輸出端；入射光射入所述光學(xué)暗室(101)，精密位移臺(105)控制切換制冷型陷阱探測器(102)和單光子探測器(106)分別切入入射光路，對入射光的光通量進(jìn)行測量。

作為優(yōu)選，所述制冷型陷阱探測器(102)包括三片制冷型光電二極管，其中第一片制冷型光電二極管面向入射光，第二片與第一片間呈90度設(shè)置，第三片與第二片呈45度設(shè)置，且三片制冷型光電二極管均與開關(guān)積分放大器(104)電連接。

作為優(yōu)選，所述溫度控制器(103)設(shè)置在所述光學(xué)暗室(101)的外部，用于保持組成制冷型陷阱探測器(102)的三片制冷型光電二極管處于低溫恒溫狀態(tài)。

作為優(yōu)選，所述光學(xué)暗室(101)具有電磁屏蔽功能，其內(nèi)部設(shè)置有由超黑材料構(gòu)成的內(nèi)涂層。

作為優(yōu)選，所述精密位移臺(105)的定位精度為亞微米級。

作為優(yōu)選，所述開關(guān)積分放大器(104)包括輸入開關(guān)(201)、重置開關(guān)(202)、積分電容(203)和運(yùn)算放大器(204)，所述運(yùn)算放大器(204)的同相輸入端接地，反相輸入端經(jīng)過輸入開關(guān)(201)連接所述制冷型陷阱探測器(102)的電流輸出端，所述重置開關(guān)(202)和積分電容(203)并聯(lián)設(shè)置在所述運(yùn)算放大器(204)的電壓輸出端與反向輸入端之間。

本發(fā)明的單光子探測器探測效率的標(biāo)定方法，使用上述單光子探測器探測效率的標(biāo)定裝置進(jìn)行測量，包括如下步驟：

S1:溫度控制器(103)調(diào)整并控制制冷型陷阱探測器(102)至低溫恒溫狀態(tài)；

S2:精密位移臺(105)控制制冷型陷阱探測器(102)切入入射光路，對入射光的光通量進(jìn)行測量；

S3:精密位移臺(105)切換單光子探測器(106)切入入射光路，對入射光的光通量進(jìn)行測量；

S4:通過計算S2、S3測得的光通量的比值來標(biāo)定單光子探測器的探測效率。

本發(fā)明的單光子探測器探測效率的標(biāo)定裝置及方法，可直接對單光子水平光輻射進(jìn)行測量，具有極低的暗噪聲，可在單光子水平直接對光功率進(jìn)行測量，制冷型陷阱探測器的絕對光譜響應(yīng)率溯源至光功率基準(zhǔn)—低溫輻射計，從而實現(xiàn)單光子探測器探測效率的直接標(biāo)定。通過本發(fā)明，使利用標(biāo)準(zhǔn)探測器裝置標(biāo)定單光子探測器的探測效率成為現(xiàn)實。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的轉(zhuǎn)化積分放大器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的測試方法流程圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：

實施例1：

如圖1所示，本實施例的單光子探測器探測效率的標(biāo)定裝置，包括光學(xué)暗室101、制冷型陷阱探測器102、溫度控制器103、開關(guān)積分放大器104、精密位移臺105、單光子探測器106；所述制冷型陷阱探測器102、開關(guān)積分放大器104、精密位移臺105設(shè)置在所述光學(xué)暗室101的內(nèi)部；所述溫度控制器103用于控制制冷型陷阱探測器102的溫度；所述開關(guān)積分放大器104的輸入端連接所述制冷型陷阱探測器102的輸出端；入射光射入所述光學(xué)暗室101，精密位移臺105控制切換制冷型陷阱探測器102和單光子探測器106分別切入入射光路，對入射光的光通量進(jìn)行測量。

本實施例中的溫度控制器103設(shè)置在所述光學(xué)暗室101的外部，用于保持組成制冷型陷阱探測器102的三片制冷型光電二極管處于低溫恒溫狀態(tài)，降低探測器的暗噪聲。

本實施例中的制冷型陷阱探測器102包括三片制冷型光電二極管，其中第一片制冷型光電二極管面向入射光，第二片與第一片間呈90度設(shè)置，第三片與第二片呈45度設(shè)置，且三片制冷型光電二極管均與開關(guān)積分放大器104電連接。入射光經(jīng)第1，2個光電二極管反射后，正入射至第三個光電二極管，隨后入射光沿原路返回，通過5次反射，總反射率大大降低。制冷型陷阱探測器102的絕對光譜響應(yīng)率直接溯源至光功率基準(zhǔn)—低溫輻射計，減少傳遞鏈路，降低測量不確定度。

本實施例中的制冷型陷阱探測器102相較于普通陷阱探測器的最大區(qū)別在于，構(gòu)成探測器的光電二極管由非制冷型改為制冷型。

對于單光子水平的光通量，如10⁶個光子/s的入射光，探測器響應(yīng)電流一般約為皮安(pA)量級。制冷型光電二極管在溫度控制器103控制下工作在低溫環(huán)境下，其暗電流可達(dá)到飛安(fA)量級，而非制冷型光電二極管的暗電流一般約為納安(nA)量級，無法測量單光子水平的光通量。1納安(nA)＝10³皮安(pA)＝10⁶飛安(fA)。

本實施例中的光學(xué)暗室101具有電磁屏蔽功能，其內(nèi)部設(shè)置有由超黑材料構(gòu)成的內(nèi)涂層。采用超黑材料涂層可最大可能的排除環(huán)境噪聲對探測器的測量干擾，提高信噪比和測量精度。

本實施例中的精密位移臺105的定位精度為亞微米級。通常，單光子探測器的有效光敏面為百微米級及以下，精密位移臺105采用重復(fù)定位精度為亞微米級的高精密位移臺將制冷型陷阱探測器102和單光子探測器106分別切入光路中對光通量進(jìn)行測量，亞微米級重復(fù)定位精度可有效保證測量的重復(fù)性。

實施例2：

如圖2所示，在實施例1的基礎(chǔ)上，本實施例中的開關(guān)積分放大器104包括輸入開關(guān)201、重置開關(guān)202、積分電容203和運(yùn)算放大器204，所述運(yùn)算放大器204的同相輸入端接地，反相輸入端經(jīng)過輸入開關(guān)201連接所述制冷型陷阱探測器102的電流輸出端，所述重置開關(guān)202和積分電容203并聯(lián)設(shè)置在所述運(yùn)算放大器204的電壓輸出端與反向輸入端之間。

本實施例中的開關(guān)積分放大器104，增益倍數(shù)可調(diào)，其增益倍數(shù)由積分時間與積分電容203的電容值比值計算得出。

本實施例中的開關(guān)積分放大器104的工作原理如下：在t＝0時刻，重置開關(guān)202為閉合狀態(tài)，運(yùn)輸放大器204的輸出端輸出電壓為V_out＝0；此時，使重置開關(guān)202斷開，輸入開關(guān)201閉合，輸入電流I_i開啟給電容值為C的積分電容203充電，經(jīng)積分時間后，運(yùn)算放大器204產(chǎn)生輸出電壓V_out(t)＝-I_i·t_i/C，則I/V增益放大倍數(shù)G＝-t_i/C。相較于傳統(tǒng)的跨阻放大器，本實施例采用積分電容203，具有更低的暗噪聲和更高的穩(wěn)定性。

本實施例將開關(guān)積分放大器104與制冷型陷阱探測器102結(jié)合，本底暗電流可低至30fA，短時間內(nèi)失調(diào)電流漂移與本底暗電流相當(dāng)。經(jīng)測試，在測量10⁶個光子/s量級的光通量時，信噪比可達(dá)到100：1，可顯著提高單光子水平的光通量測量精度。

實施例3：

如圖3所示，在實施例1或2的基礎(chǔ)上，本實施例提供了一種單光子探測器探測效率的標(biāo)定方法，包括如下步驟：

步驟一：溫度控制器103調(diào)整并控制制冷型陷阱探測器102至低溫恒溫狀態(tài)；在低溫環(huán)境下，制冷型陷阱探測器102產(chǎn)生的暗電流可達(dá)到飛安fA級別。

步驟二：精密位移臺105控制制冷型陷阱探測器102切入入射光路，對入射光的光通量進(jìn)行測量，得到標(biāo)準(zhǔn)光通量φ₁；制冷型陷阱探測器102的絕對光譜響應(yīng)率直接溯源至光功率基準(zhǔn)—低溫輻射計，將制冷型陷阱探測器與開關(guān)積分放大器結(jié)合使用形成一套標(biāo)準(zhǔn)探測器裝置，制冷型陷阱探測器響應(yīng)單光子水平的光輻射，將光信號轉(zhuǎn)化為電流信號，電流信號經(jīng)開關(guān)積分放大器轉(zhuǎn)化為輸出電壓信號，直接得出單光子水平的入射光的光通量φ₁。

步驟三：精密位移臺105切換單光子探測器106切入入射光路，對入射光的光通量進(jìn)行測量，得到測量光通量φ₂；

步驟四：通過計算步驟二和步驟三測得的光通量的比值來標(biāo)定單光子探測器的探測效率η＝φ₂/φ₁。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明，對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的。

應(yīng)當(dāng)理解的是，本申請旨在涵蓋本發(fā)明的任何變型、用途或者適應(yīng)性變化，這些變型、用途或者適應(yīng)性變化遵循本發(fā)明的一般性原理并包括本發(fā)明未公開的本技術(shù)領(lǐng)域中的公知常識或慣用技術(shù)手段。