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基本信息
- 項目名稱：
- 基于同步脈沖泵浦的紅外單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測系統(tǒng)
- 小類：
- 數(shù)理
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 紅外單光子由于其在光纖和大氣中的低損耗特性廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究和實際生活中的各領(lǐng)域。然而目前商售的紅外單光子探測器性能卻不盡人意。紅外單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)正是利用非線性和頻過程將紅外單光子“一對一”的轉(zhuǎn)換到可見光波段，利用可見波段的硅探測器實現(xiàn)紅外單光子的高效探測。 圍繞著如何實現(xiàn)高效率低噪聲的紅外單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測，本研究發(fā)展了同步脈沖泵浦的紅外單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)。
- 詳細(xì)介紹：
- 紅外單光子由于其在光纖和大氣中傳輸?shù)牡蛽p耗特性，在基礎(chǔ)物理研究和實際生活應(yīng)用中都發(fā)揮著重要作用，可普遍應(yīng)用于國防科技和民事技術(shù)的各個層面。紅外單光子靈敏探測在量子保密通訊、量子信息處理與存儲、高分辨率分子光譜測量、非破壞性物質(zhì)分析、大氣污染與生物發(fā)光檢測等領(lǐng)域中有重大的應(yīng)用前景。然而，目前的紅外單光子探測器性能卻不盡人意。頻率上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)是一種新型的紅外單光子探測技術(shù)，它通過非線性和頻過程將紅外單光子“一對一”的轉(zhuǎn)換到可見波段，再利用性能卓越的硅雪崩光電二極管探測器探測可見波段的復(fù)制品，進(jìn)而實現(xiàn)高效率低噪聲的紅外單光子探測。 圍繞著如何實現(xiàn)高效率低噪聲的紅外單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測，本研究發(fā)展了同步脈沖泵浦的單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)。構(gòu)建了以周期極化的鈮酸鋰晶體作為非線性介質(zhì)的全光同步單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測系統(tǒng)，該方案可以實現(xiàn)泵浦光脈沖與信號光子高精度的時域重疊，并將背景噪聲限制在探測時間窗口內(nèi)，從而實現(xiàn)高效率低噪聲的頻率上轉(zhuǎn)換探測。在這套實驗平臺的基礎(chǔ)上，同時測量了未轉(zhuǎn)換的紅外光子與轉(zhuǎn)換后的可見光子之間的對應(yīng)關(guān)系。它們隨轉(zhuǎn)換效率的升高“此消彼長”的特性說明了它們在上轉(zhuǎn)換過程中一一對應(yīng)的關(guān)系，證明了入射光子的相干光特性在上轉(zhuǎn)換過程中得到了保持。利用硅的光子數(shù)可分辨探測器和單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)的結(jié)合，首次實現(xiàn)了1.04微米的光子數(shù)可分辨的單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測，噪聲水平比國際上同類報導(dǎo)低兩個數(shù)量級。本上轉(zhuǎn)換探測系統(tǒng)利用光纖激光器作為信號光和泵浦光有利于小型化和集成化，為實用化奠定了堅實的基礎(chǔ)，有望應(yīng)用于各弱光探測領(lǐng)域。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 本作品定位于國際前沿的超靈敏探測領(lǐng)域，目的在于實現(xiàn)紅外光子的超靈敏探測。 紅外單光子在大氣和光纖中的低損耗特性，使其成為眾多科學(xué)領(lǐng)域的關(guān)鍵載體。然而，紅外單光子探測器的性能卻不盡人意。單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測正是利用非線性和頻過程將紅外單光子“一對一”的轉(zhuǎn)換到可見波段，用硅的探測器實現(xiàn)高效率的紅外單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測。我們搭建了高效率低噪聲的單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測系統(tǒng)，并在該系統(tǒng)的基礎(chǔ)上結(jié)合新型的光子數(shù)可分辨探測器實現(xiàn)了近紅外波段的光子數(shù)可分辨探測。 創(chuàng)新點和技術(shù)關(guān)鍵： 1.首次提出全光同步鎖模脈沖泵浦的單光子頻率上轉(zhuǎn)換方案，該方案可以實現(xiàn)泵浦光脈沖與信號光子高精度的時頻域重疊，保證了信號光的上轉(zhuǎn)換效率，提高了實際探測效率。 2.同步脈沖泵浦將背景噪聲限制在了同步脈沖的探測時間窗口內(nèi)，有效的降低了背景噪聲。長波長泵浦又進(jìn)一步降低了由泵浦光的參量熒光引起的背景噪聲，從而獲得了高效率低噪聲的單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測系統(tǒng)，報道了可比擬探測效率下的最低噪聲等效功率值。 3.利用創(chuàng)新點2中的單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)和硅的光子數(shù)可分辨探測器，首次實現(xiàn)了1.04微米的光子數(shù)可分辨的單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測，噪聲水平比國際上同類報導(dǎo)低兩個數(shù)量級。 主要技術(shù)指標(biāo)：同步脈沖泵浦的紅外單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測，轉(zhuǎn)換效率81.1%，探測效率27.5%，背景噪聲1.5k/s。光子數(shù)可分辨的單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測，探測效率3.7%，背景噪聲0.0002/pulse。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 1.基本思路：頻率上轉(zhuǎn)換探測的基本思路是利用非線性和頻過程將紅外單光子轉(zhuǎn)換到可見光波段，利用Si探測器實現(xiàn)高性能探測，規(guī)避了當(dāng)前紅外單光子探測器的種種缺陷。 2.理論支持：根據(jù)量子力學(xué)的知識，只要實驗條件合適，紅外單光子可以實現(xiàn)完全轉(zhuǎn)換，并保持量子特性不變，是該技術(shù)可以用于紅外單光子探測的重要保證。 3.技術(shù)特點：傳統(tǒng)連續(xù)泵浦模式雖然也能獲得高的轉(zhuǎn)換效率，但由于泵浦光引入的參量噪聲過大很難實際應(yīng)用。我們發(fā)展了利用同步脈沖泵浦方式，既有效的提供強泵浦場實現(xiàn)高轉(zhuǎn)換效率，又將背景噪聲局限了探測時間窗口內(nèi)，還采用長波長泵浦方案，從根本上解決單光子上轉(zhuǎn)換探測背景計數(shù)過高的問題。 4.研究結(jié)果：實現(xiàn)了高效率低噪聲的紅外單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測，并在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合新型的光子數(shù)可分辨探測器首次實現(xiàn)了1.04微米的光子數(shù)可分辨探測。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 項目在研期間發(fā)表的代表性論文： 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
作品所處階段
- 實驗室階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 圖片 錄像
使用說明,技術(shù)特點和優(yōu)勢,適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預(yù)測
- 單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)從理論上突破了探測波長對于探測器材料的依賴，保持了紅外單光子到可見單光子轉(zhuǎn)換過程中的量子特性，進(jìn)而利用硅的探測器實現(xiàn)紅外單光子的靈敏探測。本研究中的同步鎖模脈沖泵浦方式，在保證了探測效率的情況下有效的降低了系統(tǒng)的背景噪聲，把紅外單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測技術(shù)從實驗室研究推向了實用化進(jìn)程。 本論文研究的探測器可適用于各不同的使用領(lǐng)域。例如應(yīng)用于量子保密通信、量子信息處理和存儲等信息科學(xué)領(lǐng)域，成為當(dāng)今信息化社會的重要技術(shù)支持；還可應(yīng)用于高分辨率的光譜測量、非破壞性物質(zhì)分析、高速現(xiàn)象檢測、大氣污染、生物發(fā)光、天文測光、光時域反射等領(lǐng)域，為我們進(jìn)一步探索未知世界提供了有力的工具。此外，利用光纖激光器作為信號光和泵浦光的上轉(zhuǎn)換探測系統(tǒng)有利于小型化和集成化，即使在環(huán)境比較惡劣的軍事應(yīng)用中也能發(fā)揮重要的作用。因此，這種新型的紅外單光子探測器有望應(yīng)用于各弱光探測領(lǐng)域，成為紅外超靈敏探測的新實用化手段。
同類課題研究水平概述
- 頻率上轉(zhuǎn)換探測器為解決紅外單光子靈敏探測開辟了一種新的思路。自從2004年第一次報導(dǎo)了單光子上轉(zhuǎn)換探測系統(tǒng)以來，相關(guān)研究引起了極大的關(guān)注。包括麻省理工學(xué)院、斯坦福大學(xué)、美國國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)局等國際知名機構(gòu)的研究人員利用不同的技術(shù)方案構(gòu)建了紅外單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測系統(tǒng)。2004年，麻省理工學(xué)院的M. A. Albota小組利用諧振腔鎖定增強的方法獲得了足夠高的泵浦光功率，從而達(dá)到了實現(xiàn)完全量子態(tài)轉(zhuǎn)移所需要的水平，在實驗上首次實現(xiàn)了高轉(zhuǎn)換效率的1.55 μm單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測，并使用了Si的單光子計數(shù)模塊進(jìn)行了高效的光通信波段的光子計數(shù)。這種外腔增強的方案主要缺點是需要復(fù)雜的伺服控制系統(tǒng)，從而帶來了難以實現(xiàn)穩(wěn)定運行的問題。2008年，瑞士的日內(nèi)瓦大學(xué)的N. Gisin小組利用頻率上轉(zhuǎn)換實現(xiàn)了可調(diào)諧的單光子探測器，將探測的帶寬提高了十倍，但是其探測效率和背景噪聲都不是很理想。2010年，瑞士日內(nèi)瓦大學(xué)的Zbinden小組實現(xiàn)了光通訊波段的紅外單光子數(shù)可分辨探測，探測效率為4%，背景噪聲為0.023/pulse。同年，美國NIST兩個實驗小組合作完成了基于量子點的真單光子源的頻率上轉(zhuǎn)換探測，并證明真單光子源在上轉(zhuǎn)換過程中保持其量子特性不變?？梢娀陬l率上轉(zhuǎn)換的紅外單光子探測無論在超靈敏探測還是基礎(chǔ)量子力學(xué)研究上都保持著巨大的應(yīng)用前景。 在國內(nèi)對單光子頻率上轉(zhuǎn)換的研究也備受關(guān)注，2006年，曾提出并實現(xiàn)了腔內(nèi)泵浦技術(shù)，省去了復(fù)雜的伺服反饋裝置，而且利用腔內(nèi)的自洽場強度高、穩(wěn)定性好的特點獲得了接近100%的轉(zhuǎn)換效率和長時間的穩(wěn)定性。但是由于連續(xù)泵浦場的高功率引致的非線性效應(yīng)，使其背景噪聲依然很大，為每秒鐘百k量級。申請人提出利用鎖模激光器同步泵浦方式實現(xiàn)信號光和泵浦光時域上的完全匹配使得每個信號光子都有與之相對應(yīng)的泵浦脈沖，從而獲得高效率低噪聲的紅外單光子頻率上轉(zhuǎn)換探測。轉(zhuǎn)換效率為81.1%，探測效率為27.5%，相應(yīng)的背景噪聲只有1.5k/s。在此實驗平臺的基礎(chǔ)上，申請人利用光子數(shù)可分辨的探測器探測可見光子的光子數(shù)分布，進(jìn)而實現(xiàn)了高效率低噪聲的紅外光子數(shù)可分辨探測。整體的探測效率為3.7%，背景噪聲只有0.0002/pulse。
