基于同步泵浦技术的高性能红外单光子频率上转换探测研究

红外单光子高灵敏探测具有非常重要的研究意义，但是目前在红外波段的单光子探测器的性能却远不能满足高灵敏探测的需要。频率上转换探测技术被证明是解决红外单光子探测难题的一种新方法。本项目研究通过精确控制泵浦光脉冲与信号光脉冲的时间同步，实现基于同步泵浦技术的红外单光子上转换探测。通过精确控制泵浦光与信号光的时间抖动，提高频率上转换的探测效率；结合锁模泵浦光的频率模式特性，研究多纵模泵浦的频率上转换探测的新机理，探索实现单光子操控的新方法；利用同步符合计数的方法，研究上转换过程中噪声光子的时间特性，发展抑制其背景噪声的新原理；利用宽带可调谐泵浦光源，研究宽红外频谱范围内的弱光非线性过程的物理机制。本项目着重针对单光子上转换探测中的时间/频率的精确控制、背景噪声抑制机制、探测波长范围拓展等关键科学问题开展研究，有望推进红外单光子探测技术在更多领域的应用。

本项目主要开展了基于同步泵浦技术的单光子频率上转换灵敏探测及应用研究，圆满地完成了项目的既定目标，解决了多个制约频率上转换灵敏探测性能的关键技术问题。. 在同步泵浦的单光子频率上转换系统的研究方面：. 实现了Yb光纤激光系统与Er光纤激光系统的稳定高精度同步运行，为同步泵浦的频率上转换系统的提供了基本的光学架构；实现了光通信波段1.55微米单光子信号的同步泵浦频率上转换探测，转换效率达到90%，背景噪声为1.5kHz，达到的指标具有国际先进水平；利用时间相关技术测量了同步泵浦系统的背景噪声特性，证明了同步泵浦方式下有利于背景噪声的抑制；总的来说，在国际国内同类研究比较，同步泵浦的频率上转换探测系统具有探测效率高、背景噪声低、结构紧凑等优势。. 在同步泵浦的单光子频率上转换系统的应用拓展方面：. 利用相关测量的方法研究了上转换过程中信号光子与和频光子量子关联特性，实验验证了转换过程中光子数分布等量子特性可以保持；结合多像素的硅光子计数器（SMPPC）实现了光子数可分辨的频率上转换探测；将探测波长拓展到近红外和中红外区域，进一步拓展了上转换系统在多个领域的应用潜力；开展了频率上转换灵敏探测技术在生物荧光检测方向的应用；分析了多纵模泵浦和强脉冲泵浦条件下的频率上转换的新特性，并预示了其在光子操控方向的潜在应用。. 在本项目资助下发表SCI论文5篇，特邀章节1篇，申请发明专利2项，实用新型专利1项。发表文章均是紧密围绕本项目的研究内容和研究目标。培养博士研究生毕业一名，在读一名，硕士研究生毕业一名，在读两名。参加国际会议两人次，邀请报告一次。课题负责人在项目的支持下获得了很好的个人发展，进一步获得了863等重要课题的支持。