近红外单光子探测与成像新技术与新方法研究

本项目旨在研究近红外波段单光子探测与成像的新技术与新方法。通过发展雪崩信号灵敏检测技术，研究新型的铟镓砷雪崩光电二极管（InGaAs APD）高速近红外单光子探测技术，将门脉冲重复频率提高至1GHz，并且研究其中的非线性物理效应。目前，基于硅-雪崩光电二极管（Si APD）阵列光子探测进入了实用化阶段。本项目拟研制Si APD阵列的可见波段光子探测器，包括基于Si APD阵列的高探测效率、高分辨率的光子数可分辨探测器和基于Si APD阵列的光子成像器件。同时继续发展频率上转换技术，将近红外波段光子信号转移至可见波段，从而发挥Si APD阵列器件优势，发展出近红外波段的高性能的光子数可分辨探测以及光子成像的新方法。该项研究可以为量子信息和量子态检测提供关键的技术方法，在信息安全、环境、生物等领域有重要的应用价值。

本项目的研究内容主要集中在近红外单光子探测与成像新技术与新方法研究方面。主要包括以下几个方面：.1）光子数可分辨探测物理机理探索：给出InGaAs APD 亚饱和工作模式的物理鉴定条件；探明少光子激发情况下雪崩脉冲时间特性，以及雪崩建立时间与光子数可分辨探测之间的关系；测量少光子激发情况下雪崩增益的非线性效应，量化非线性效应对光子数可分辨探测的影响，并且给出解决方法。.2）发展高速近红外单光子探测新方法和新技术：形成亚饱和雪崩增益的门探测新模式和噪声有效抑制的高速探测新方法、以及发展减低APD 光生载离子雪崩放大死时间至纳秒量级的技术途径，在技术上，实现基于InGaAs APD 的高速高效率的单光子探测，达到门脉冲速率1GHz ，饱和光子技术率＞50MHz，死时间＜10ns，时间抖动＜50ps，暗计数＜10-4/ns，后脉冲概率＜3%。.3）完善近红外单光子频率上转换量子特性转移技术方法：探索不同物理条件对单光子非线性频率上转换过程中量子特性转移的影响， 例如：通过控制转换效率实现对光子数分布在量子特性转移中的操控；通过对泵浦波长的调谐实现不同波长光子的上转换干涉。研究上转换过程中参量荧光噪声的来源及其对量子特性转移的破坏，通过减低参量荧光噪声，降低其对光子频率上转换中产生的消相干效应。.4）实现基于频率上转换方法的近红外光子数可分辨探测：研制基于Si APD 点阵的可见波段的光子数可分辨单光子探测器，然后通过频率上转换，将近红外波段的光子转移至可见波段，实现近红外波段的高效率高分辨率的光子数可分辨探测。