[发明专利]一种高效红外单光子探测方法

说明书

技术领域

本发明涉及微弱光信号检测领域，具体涉及一种新型高效率的红外单光子探测方法。

背景技术

现阶段常用的红外单光子探测器是基于铟镓砷-磷化铟雪崩光电二极管(InGaAs/InP-APD)制造的，但是它具有噪声大(每脉冲暗噪声达到了5×10^-5/ns)、效率低(～10％)、有效重复频率低(＜100KHz)的缺点，无法达到信息技术领域所需的对红外单光子高效探测的要求。由于缺乏相应的红外单光子检测方面性能优良的探测器，无法完全发挥红外光在光纤和大气传输中其它波段无法比拟的低损耗、低色散的优势，这已经成为限制红外波段通信和其他方向应用的主要障碍之一。相比较而言，用于可见光波段(400nm-1100nm)的硅雪崩光电二极管以其低噪声(＜1×10^-7/ns)、高效率(～70％)和高的有效重复频率(～10MHz)是探测弱光信号的理想探测器。目前以硅雪崩光电二极管为核心器件的硅单光子计数模块SPCM(Single Photon CountingModule)已经广泛用于可见光单光子水平信号的探测，并且实现了产品化。

为了克服红外探测的困难，人们利用非线性频率上转换将红外单光子从红外波段转移到可见区域实现一种跨波长探测的思路：使用一束很强的泵浦光和红外单光子进行和频相互作用，红外单光子频率实现从红外波段到可见光波段的转移，并且可以证明，在频率上转换的过程中当转换效率达到最大的时候，在实现频率上转移的同时也实现了量子特性的转移。即转换后得到的可见光波段的单光子完全是入射的红外波段单光子的“复制品”，只是在频率上实现了跨越。这样就既可以利用红外光在大气和光纤传输中的低损耗、低色散优势，又可以利用已臻成熟的硅雪崩光电二极管快速、高效的探测性能达到对信号的有效传输和收集。

为了实现有效的非线性频率上转换，尽量提高有效入射非线性晶体的泵浦光强度是必要的。强的泵浦光源通常可以由两种方法得到：一是将泵浦光注入一个外置的谐振腔，用反馈伺服控制系统控制其中一面腔镜，使得谐振腔的谐振频率与泵浦光的频率相匹配，达到腔内功率增强的效果。放置在这个外腔中的非线性晶体可以获得数十倍于泵浦光的有效入射光强度。然而，这种方法有一个显著的缺点：由于外置谐振腔是无源腔，为了实现谐振频率与泵浦光频率的锁定，就必须依赖伺服系统锁定腔的谐振频率。这样就会大大增加系统的复杂程度和调整难度，系统的稳定性也难以得到提高；二是利用腔内泵浦的方法提高泵浦光强度，将非线性晶体放入泵浦光的有源谐振腔内，将弱红外信号光入射到非线性晶体，使得作为弱红外信号光与泵浦光在激光腔内实现和频作用。但是上述方案都无法克服便携性差、体积大和系统复杂的缺点。并且目前存在的方案都是利用近红外光源(1064nm)作为泵浦源，在非线性作用过程中容易因参量上转换荧光引起很大的暗噪声，不利于红外单光子的探测。

例如现有技术中利用固体激光器腔内泵浦的方法实现红外信号有效探测示意如图1所示：偏振控制器PC、红外单光子信号输入IS、可调光纤衰减器A、带通滤光片F、非线性晶体C、分光棱镜(或光栅)P、透镜L1/L2、硅单光子计数模块D、光纤准直器Collimator、固体激光器腔镜M1-M6、狭缝S、固体激光器泵浦源LD pump，固体激光器由六个腔镜组成，非线性晶体置于腔内，红外信号经过光纤可调衰减器和光纤控制器经由光纤准直器输出。实际操作中要实现红外信号光和腔内的泵浦光在空间的有效重合，必须经过复杂的调整过程。首先，为配合红外信号光与泵浦光在非线性晶体内具有相同的光斑尺寸，需要改变透镜L1与腔镜M3之间的距离以调整红外信号光落在非线性晶体上的光斑大小。其次为实现红外信号光与泵浦光方向重合，必须联合调整红外信号光输出的光纤准直器、透镜L1与固体激光腔镜M6的方向。由于腔镜M6的防线与固体激光器腔内功率有很大关联，因此在调整两束光的重合时还可能影响固体激光器的腔内功率。在分光阶段，利用固体激光器泵浦的系统由于输出的信号光为空间光束，必须由分光棱镜或光栅分光，经狭缝和带通滤波器滤波之后才能进入探测器。

发明内容