集成衍射光栅的WSi超导单光子探测器光子响应机理研究

Superconducting nanowire single-photon detectors(SNSPD) have the advantages of high detection efficiency, low dark count rate and wide band response, which have wide application foreground. The system detection efficiency of superconducting nanowire single-photon detectors based on WSi thin films (WSi SNSPD) has achieved 93%. As SNSPD is composed of a series of meandering superconducting nanowires, it have unresolved conflicts between high detection efficiency and large active detection area, which becomes more obvious for WSi SNSPD. This project intends to integrate transmission phase grating and high contrast gratings on WSi SNSPD, in order to achieve high detection efficiency, large detection area and high detection rate of the device at the same time. This project intends to study the working mechanism of WSi SNSPD, and explore the relationship among the detection efficiency, operating temperature and photon response spectrum. The relationship between dynamic inductance and nanowire structures will be studied to analyze the physical mechanism. Through this project, it will reveal how the operating temperature and working current affect the photon coupling efficiency and response spectrum. It will improve the performance of SNSPD, especially for SNSPD with large active area. It will also have a significant reference value for designing and fabricating new types of SNSPD integrated with new optical structures.

超导单光子探测器(SNSPD)具有探测效率高、暗计数低、响应波段宽的优点，基于WSi薄膜的WSi SNSPD的探测效率更是高达93%，具有广阔的应用前景。然而由于SNSPD是由一系列蜿蜒的超导纳米线构成，导致其高探测速率和大探测面积之间无法调和的矛盾。这一现象对于散热较慢的WSi SNSPD的更为明显。本项目拟将相位光栅和高对比度光栅集成到WSi SNSPD上，同时实现器件的高探测效率、大探测面积和高探测速率。探索WSi SNSPD探测效率与工作温度变化、光子响应频谱之间的关系，对纳米线的动态电感与纳米线结构和集成光学结构的关系进行研究。通过本项目研究将揭示温度、电流、薄膜超导特性和微纳光学结构等对WSi超导纳米线的光子耦合效率、响应频谱的影响，促进对SNSPD光子响应机理和工作机制的认识，对提高大探测面积单像元SNSPD的探测性能具有积极作用，对于研制新型SNSPD具有重要参考价值。

随着量子通信、量子计算、量子成像以及一系列需要弱光检测技术的发展，对工作在红外波段且性能优越的单光子探测器的需求越来越为迫切。超导纳米线单光子探测器(SNSPD)由于其探测波段宽、效率高、暗计数低、速度快、抖动小、计数率高、以及常开的工作模式等优点，具有广阔的应用前景。然而由于SNSPD是由一系列蜿蜒的超导纳米线构成，导致其高探测速率和大探测面积之间无法调和的矛盾。为了解决这一问题，我们设计了两种集成衍射光栅的SNSPD，一种是新型结构超导纳米线单光子探测器(HCG-SNSPD)——通过集成高对比度光栅来控制入射光的相移从而达到高效率、高速率和高探测面积。它的有效检测区域与传统SNSPD相比，增加了11.5倍，同时吸收纳米线的效率在1550 nm 波长处达到84.9%。此外在1460 nm至1650 nm波长范围内的吸收效率均超过 70%，显示了高效宽带检测特性。另一种是具有反射光栅结构的超导纳米线单光子探测器。它实现了超导纳米线的吸收效率在1550 nm波长处达到92%。同时将超导纳米线的总填充因子降低到仅0.25，降低了SNSPD的动态电感，并提高一倍探测速率。在探测器的应用方面，我们提出利用基于SNSPD作为成像探测器的共焦荧光寿命成像显微镜在第二个近红外(NIR-II)窗口中评估活样品的形态和生化信息。我们实现了近红外二区(NIR-II)窗口对于NIR-II荧光染料的寿命测量，并通过比较一系列不同的荧光分子寿命和进行小鼠耳部血管的荧光寿命多色三维荧光成像，证明了自主开发的显微镜的可行性系统。在光场调控领域，我们在理论上提出了一种新的方法来生成具有组合振幅结构的涡旋光束的亚衍射贝塞尔光束，该结构由余弦径向光栅和螺旋狭缝组成，它能够进行长工作距离成像，并且可以减少相关的光束散焦。基于准相位匹配技术，我们提出了一种新的产生周期任意可调控的无衍射阵列光束。利用周期性极化钽酸锂晶体，通过调节泵浦激光的波长和入射角度实现任意周期、传播长度以及出射波长的非线性无衍射阵列光束。这些光束可以用来捕获和操纵多个粒子，或者用于实现快速三维超分辨成像。