基本信息
- 项目名称：
- 基于同步脉冲泵浦的红外单光子频率上转换探测系统
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 数理
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 红外单光子由于其在光纤和大气中的低损耗特性广泛应用于科学研究和实际生活中的各领域。然而目前商售的红外单光子探测器性能却不尽人意。红外单光子频率上转换探测技术正是利用非线性和频过程将红外单光子“一对一”的转换到可见光波段，利用可见波段的硅探测器实现红外单光子的高效探测。 围绕着如何实现高效率低噪声的红外单光子频率上转换探测，本研究发展了同步脉冲泵浦的红外单光子频率上转换探测技术。
- 详细介绍：
- 红外单光子由于其在光纤和大气中传输的低损耗特性，在基础物理研究和实际生活应用中都发挥着重要作用，可普遍应用于国防科技和民事技术的各个层面。红外单光子灵敏探测在量子保密通讯、量子信息处理与存储、高分辨率分子光谱测量、非破坏性物质分析、大气污染与生物发光检测等领域中有重大的应用前景。然而，目前的红外单光子探测器性能却不尽人意。频率上转换探测技术是一种新型的红外单光子探测技术，它通过非线性和频过程将红外单光子“一对一”的转换到可见波段，再利用性能卓越的硅雪崩光电二极管探测器探测可见波段的复制品，进而实现高效率低噪声的红外单光子探测。 围绕着如何实现高效率低噪声的红外单光子频率上转换探测，本研究发展了同步脉冲泵浦的单光子频率上转换探测技术。构建了以周期极化的铌酸锂晶体作为非线性介质的全光同步单光子频率上转换探测系统，该方案可以实现泵浦光脉冲与信号光子高精度的时域重叠，并将背景噪声限制在探测时间窗口内，从而实现高效率低噪声的频率上转换探测。在这套实验平台的基础上，同时测量了未转换的红外光子与转换后的可见光子之间的对应关系。它们随转换效率的升高“此消彼长”的特性说明了它们在上转换过程中一一对应的关系，证明了入射光子的相干光特性在上转换过程中得到了保持。利用硅的光子数可分辨探测器和单光子频率上转换探测技术的结合，首次实现了1.04微米的光子数可分辨的单光子频率上转换探测，噪声水平比国际上同类报导低两个数量级。本上转换探测系统利用光纤激光器作为信号光和泵浦光有利于小型化和集成化，为实用化奠定了坚实的基础，有望应用于各弱光探测领域。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 本作品定位于国际前沿的超灵敏探测领域，目的在于实现红外光子的超灵敏探测。 红外单光子在大气和光纤中的低损耗特性，使其成为众多科学领域的关键载体。然而，红外单光子探测器的性能却不尽人意。单光子频率上转换探测正是利用非线性和频过程将红外单光子“一对一”的转换到可见波段，用硅的探测器实现高效率的红外单光子频率上转换探测。我们搭建了高效率低噪声的单光子频率上转换探测系统，并在该系统的基础上结合新型的光子数可分辨探测器实现了近红外波段的光子数可分辨探测。 创新点和技术关键： 1.首次提出全光同步锁模脉冲泵浦的单光子频率上转换方案，该方案可以实现泵浦光脉冲与信号光子高精度的时频域重叠，保证了信号光的上转换效率，提高了实际探测效率。 2.同步脉冲泵浦将背景噪声限制在了同步脉冲的探测时间窗口内，有效的降低了背景噪声。长波长泵浦又进一步降低了由泵浦光的参量荧光引起的背景噪声，从而获得了高效率低噪声的单光子频率上转换探测系统，报道了可比拟探测效率下的最低噪声等效功率值。 3.利用创新点2中的单光子频率上转换探测技术和硅的光子数可分辨探测器，首次实现了1.04微米的光子数可分辨的单光子频率上转换探测，噪声水平比国际上同类报导低两个数量级。 主要技术指标：同步脉冲泵浦的红外单光子频率上转换探测，转换效率81.1%，探测效率27.5%，背景噪声1.5k/s。光子数可分辨的单光子频率上转换探测，探测效率3.7%，背景噪声0.0002/pulse。
科学性、先进性
- 1.基本思路：频率上转换探测的基本思路是利用非线性和频过程将红外单光子转换到可见光波段，利用Si探测器实现高性能探测，规避了当前红外单光子探测器的种种缺陷。 2.理论支持：根据量子力学的知识，只要实验条件合适，红外单光子可以实现完全转换，并保持量子特性不变，是该技术可以用于红外单光子探测的重要保证。 3.技术特点：传统连续泵浦模式虽然也能获得高的转换效率，但由于泵浦光引入的参量噪声过大很难实际应用。我们发展了利用同步脉冲泵浦方式，既有效的提供强泵浦场实现高转换效率，又将背景噪声局限了探测时间窗口内，还采用长波长泵浦方案，从根本上解决单光子上转换探测背景计数过高的问题。 4.研究结果：实现了高效率低噪声的红外单光子频率上转换探测，并在此系统的基础上，结合新型的光子数可分辨探测器首次实现了1.04微米的光子数可分辨探测。
获奖情况及鉴定结果
- 项目在研期间发表的代表性论文： 1.Xiaorong Gu, Kun Huang, Yao li, Haifeng Pan, E Wu, and Heping Zeng, Applied physics letters, 96, 131111 (2010). SCI 3.554 2.Xiaorong Gu, Yao Li, Haifeng Pan, E Wu, and Heping Zeng IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 15, 6 (2009). SCI 3.064 3.Kun Huang, Xiaorong Gu, Min Ren, Yi Jian, Haifeng Pan, Guang Wu, E Wu, and Heping Zeng Optics Letters, 36, 9 (2011). SCI 3.059 4.Kun Huang, Xiaorong Gu, Haifeng Pan, E Wu, and Heping Zeng, IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 10.1109/JSTQE.2010.2102005. SCI 3.064 5.Yao Li, Xiaorong Gu, Ming Yan,E Wu, and Heping Zeng, Optics Express 17, 4526-4532, (2009). SCI 3.278
作品所处阶段
- 实验室阶段
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 图片 录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 单光子频率上转换探测技术从理论上突破了探测波长对于探测器材料的依赖，保持了红外单光子到可见单光子转换过程中的量子特性，进而利用硅的探测器实现红外单光子的灵敏探测。本研究中的同步锁模脉冲泵浦方式，在保证了探测效率的情况下有效的降低了系统的背景噪声，把红外单光子频率上转换探测技术从实验室研究推向了实用化进程。 本论文研究的探测器可适用于各不同的使用领域。例如应用于量子保密通信、量子信息处理和存储等信息科学领域，成为当今信息化社会的重要技术支持；还可应用于高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、大气污染、生物发光、天文测光、光时域反射等领域，为我们进一步探索未知世界提供了有力的工具。此外，利用光纤激光器作为信号光和泵浦光的上转换探测系统有利于小型化和集成化，即使在环境比较恶劣的军事应用中也能发挥重要的作用。因此，这种新型的红外单光子探测器有望应用于各弱光探测领域，成为红外超灵敏探测的新实用化手段。
同类课题研究水平概述
- 频率上转换探测器为解决红外单光子灵敏探测开辟了一种新的思路。自从2004年第一次报导了单光子上转换探测系统以来，相关研究引起了极大的关注。包括麻省理工学院、斯坦福大学、美国国家技术标准局等国际知名机构的研究人员利用不同的技术方案构建了红外单光子频率上转换探测系统。2004年，麻省理工学院的M. A. Albota小组利用谐振腔锁定增强的方法获得了足够高的泵浦光功率，从而达到了实现完全量子态转移所需要的水平，在实验上首次实现了高转换效率的1.55 µm单光子频率上转换探测，并使用了Si的单光子计数模块进行了高效的光通信波段的光子计数。这种外腔增强的方案主要缺点是需要复杂的伺服控制系统，从而带来了难以实现稳定运行的问题。2008年，瑞士的日内瓦大学的N. Gisin小组利用频率上转换实现了可调谐的单光子探测器，将探测的带宽提高了十倍，但是其探测效率和背景噪声都不是很理想。2010年，瑞士日内瓦大学的Zbinden小组实现了光通讯波段的红外单光子数可分辨探测，探测效率为4%，背景噪声为0.023/pulse。同年，美国NIST两个实验小组合作完成了基于量子点的真单光子源的频率上转换探测，并证明真单光子源在上转换过程中保持其量子特性不变。可见基于频率上转换的红外单光子探测无论在超灵敏探测还是基础量子力学研究上都保持着巨大的应用前景。 在国内对单光子频率上转换的研究也备受关注，2006年，曾提出并实现了腔内泵浦技术，省去了复杂的伺服反馈装置，而且利用腔内的自洽场强度高、稳定性好的特点获得了接近100%的转换效率和长时间的稳定性。但是由于连续泵浦场的高功率引致的非线性效应，使其背景噪声依然很大，为每秒钟百k量级。申请人提出利用锁模激光器同步泵浦方式实现信号光和泵浦光时域上的完全匹配使得每个信号光子都有与之相对应的泵浦脉冲，从而获得高效率低噪声的红外单光子频率上转换探测。转换效率为81.1%，探测效率为27.5%，相应的背景噪声只有1.5k/s。在此实验平台的基础上，申请人利用光子数可分辨的探测器探测可见光子的光子数分布，进而实现了高效率低噪声的红外光子数可分辨探测。整体的探测效率为3.7%，背景噪声只有0.0002/pulse。
