[发明专利]辐照环境用低暗计数单光子探测装置及方法

说明书

一种辐照环境用低暗计数单光子探测装置及利用该装置进行单光子探测的方法。其中，装置包括雪崩光电二极管，用于在盖革模式下，探测输入的单光子量级光信号；一级制冷结构，用于根据控制信号，控制雪崩光电二极管器件的安装环境温度；温度采集模块，用于采集雪崩光电二极管的温度信号；温度控制算法模块，用于接收雪崩光电二极管的温度信号，并根据雪崩光电二极管的温度以及其当前的目标温度分析出需要的温度控制信号；温度控制电路，用于根据温度控制算法模块给出的温度控制信号，生成驱动控制信号；热电制冷模块，用于调节雪崩光电二极管的温度。该装置有效地抑制辐照引起的暗计数增加速度，解决了辐照环境应用低暗计数单光子探测器的难题。

技术领域

本发明涉及量子信息以及激光雷达领域，进一步涉及一种辐照环境中低暗计数的单光子探测装置及方法，尤其是涉及一种应用在空间辐照环境中的低暗计数单光子探测装置及方法。

背景技术

随着空间技术的发展，基于卫星平台的量子信息和激光雷达扩展了其应用范围，成为各国争先研究的领域。在量子信息、单光子激光雷达等领域，均使用单光子探测技术实现对单光子量级的弱信号探测，高探测效率、低暗计数的单光子探测器实现成为制约应用的一个关键因素。

单光子探测器主要包括基于雪崩光电二极管(APD)的单光子探测器、基于光电倍增管(PMT)的单光子探测器、超导纳米线单光子探测器(SNSPD)和上转换探测器等。PMT在850nm波段的探测效率在10％左右，暗计数几百，但是其体积较大、需要避免强光和磁场，使用寿命、稳定性以及可扩展性很差；SNSPD可以做到超过90％的探测效率及低至几个的暗计数，但是需要体积大、成本高且复杂的制冷结构；上转换探测器将1550nm附近波段光子转换成850nm波段后再使用APD进行探测，结构复杂、成本较高。与此同时，APD由于技术成熟、体积小、性能优异、成本低廉，而获得了广泛的应用。APD中目前普遍使用的是基于硅的APD(SiAPD)和基于铟镓砷/磷化铟的APD(InGaAs/InP APD)。Si APD主要是用于近红外波段(850nm附近)的单光子探测器，具有超过50％探测效率、暗计数低至25cps的商业产品；InGaAs/InPAPD主要是用于红外波段(1550nm附近)的单光子探测器，目前商业产品的探测效率只有10％，且暗计数一般超过数千。

针对空间应用的APD，在具有极高的单光子灵敏度的同时，也容易受空间辐照等的影响。理论和试验研究都表明，空间辐照如电离总剂量、位移损伤等，对APD的探测效率、时间晃动、后脉冲概率等特性影响较小，但是会造成APD暗计数显著增加。对于普通的商业SiAPD，如超过50％探测效率、暗计数低至25ps的产品，在模拟的500km卫星轨道上，空间质子辐照条件下，每天暗计数增量在100cps以上，最终导致探测器暗计数在较短时间内显著增大，难以应用于量子信息和激光雷达等对低暗计数有强烈需求的领域。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种辐照环境用低暗计数单光子探测装置及方法，以解决以上所述的至少部分技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种辐照环境用低暗计数单光子探测装置，包括：

雪崩光电二极管，用于工作在盖革模式下，探测输入的单光子量级光信号；

一级制冷结构，用于控制雪崩光电二极管器件的安装环境温度；

温度采集模块，包括热敏电阻和与热敏电阻电性连接的温度采集电路，用于采集雪崩光电二极管的温度信号；

温度控制算法模块，用于接收所述雪崩光电二极管的温度信号，并根据雪崩光电二极管的温度以及其当前的目标温度分析出需要的温度控制信号；

温度控制电路，用于根据温度控制算法模块给出的温度控制信号，生成驱动控制信号；