100 MHz光子数可分辨探测器量子层析标定

设计了基于雪崩光电二极管的光子数可分辨单光子探测器，采用短脉冲门控信号结合电容平衡噪声抑制方案实现了单通道100 MHz、探测效率40.5%的高性能探测，配合空间分束，有效分辨入射光子数目。为了更完整地描述探测器的量子特征，引入量子探测器层析技术，由单通道单光子探测器入手，到双通道光子数可分辨探测器，进行了量子层析标定，重新构建了其正值算符测度矩阵以及对应的Wigner函数。结果表明，双通道100 MHz光子数可分辨探测器可实现量子探测。     

高速MPPC的光子数可分辨探测

为了提高多像素光子计数器(MPPC)的高速探测并改善光子数分辨特性,采用门控抑制的MPPC,并通过自平衡及低通滤波相结合的技术手段,将MPPC的容性尖峰噪声抑制到热噪声水平,在实现光生雪崩信号的线性提取的同时快速恢复探测.实验结果表明,200 MHz门控的MPPC实现了40 MHz重复频率激光下14个光子的有效分辨,平...     

多像素光子计数器在单光子探测中的应用

为提高多像素光子计数器(MPPC)的光子探测效率,量子效率和动态探测范围,研究了MPPC的光子探测性能,特别是光子分辨能力.以MPPC作为光子探测器件,采用半导体制冷降噪技术及信号外触发技术将其温度稳定在15℃,暗噪声降低为6.×10<'-4>count/pulse;采用统计学方法,利用泊松分布拟合MPPC输出信号.结...     

基于单光子探测的光子计数光时域反射仪研究进展

基于光时域反射技术（Optical Time Domain Reflectometry, OTDR）的光纤分布式传感器可以实现对整个传感光纤空间可分辨的分布式测量，相比点式传感器具有极大的技术及应用成本优势。而传统的基于模拟探测的OTDR光纤分布式传感器在空间分辨率及动态范围上存在性能瓶颈。基于单光子探测的光子计数OTDR光纤分布式传感系统通过数字化的探测和记录方式，可以突破传统OTDR系统的性能极限。本文对光子计数OTDR系统技术及发展进行了综述，旨在通过本文的综述，明确基于单光子探测的光子计数OTDR系统的优势及限制，以及该技术的未来发展趋势，促进基于OTDR技术的光纤分布式传感器的进一步发展。     

基于空间光耦合系统的芯片温度传感器

研究了一种硅光子芯片空间光耦合系统,简化了集成光子芯片用光纤阵列耦合的方式,通过将1 550 nm附近波段的光通过空间光学系统,经光栅耦合器垂直耦合进入集成光子芯片,经过波导与微环谐振腔实现光学传感,采用多模光纤收集出射能量,并进行温度传感测试。实验结果表明,用波长探测方式,得到自由光谱范围（FSR）为0.85 nm,Q值为16 321的环形谐振腔直通端透射谱线。在温度传感测试中,其灵敏度达到127 pm/℃。通过进一步对比测试表明,空间光耦合与光纤阵列光耦合只在插入损耗方面有所差距,耦合系统可得到较好的温度传感测试结果。空间光耦合具有更换传感器芯片便捷,容易实现多通道测试等优点。     

压缩传感用于极弱光计数成像

为解决灵敏度达到单光子水平的面阵探测器件其单位像素上灵敏度有限和测量数多等问题,研制了具有极高灵敏度的成像系统来实现欠采样的极弱光成像探测。该成像系统基于光子计数成像技术和压缩感知理论,利用数字微镜器件(DMD)完成随机空间光调制,通过单光子点探测器收集光子,以计数形式记录下光强值。然后,利用算法重建出极弱光照明下的图像。文中设计了相关实验,研究了测量数、光强极弱程度和测量时间对成像质量的影响。最后,引入了图像质量评价标准和系统信噪比,分析对比了实验数据。结果表明,当测量数高于信号总维度的19.5%时,系统能完美成像,信噪比可低至2.843 8dB,DMD单位像素上的平均光子数可低于1.106count/s,成像的关键在于信号的波动大于噪声的波动。该成像系统基本满足了极弱光成像探测在光强、灵敏度和采样数等方面的要求。     

基于FPGA的高速高精度数据采集系统的设计

针对数据采集系统存在采样率低和误差大的问题,提出了一种基于FPGA的高速高精度数据采集系统的设计,系统ADC采用并行多通道分时交替采样技术实现对输入信号的高速采集,在对系统各个模块进行介绍的基础上,重点分析了由并行多通道分时交替采样技术带来的偏置、增益和时延误差,根据3种误差的特性,提出了误差矫正方法,对系统进行测试,结果表明该系统可完成明显的误差矫正且能实现对信号带宽为200 MHz,采样率为1 GHz的数据高速高精度采集。     

基于盖格-雪崩光电二极管的光子计数成像

考虑用传统的成像技术检测光生电荷信号时易受模数转换噪声干扰,本文提出了一种基于单光子灵敏雪崩光电二极管(GM-APD)的光子计数成像方法。该方法以单光子灵敏GM-APD作为探测单元,以全数字化方式实现微弱光学信号的有效检测。建立了GM-APD光子流响应模型,利用马尔科夫更新过程分析了光子探测盲区对GM-APD瞬态响应的影响,得到了GM-APD输出的数字脉冲频率与光子流密度之间的关联表达式。搭建了二维扫描成像实验验证装置,通过实验得到了不同密度光子流条件下的光子计数图像。采用标准化互信息量分析得到,在光子流密度为3.0×104count/s的条件下,该实验装置仍然可以实现可视成像;当光子流密度达到2.7×105 count/s时,标准化互信息量大于0.5;实现了在低光子流密度时采用光子计数方式对目标物体的有效成像。     

Photon counting imaging based on GM-APD

考虑用传统的成像技术检测光生电荷信号时易受模数转换噪声干扰,本文提出了一种基于单光子灵敏雪崩光电二极管(GM-APD)的光子计数成像方法.该方法以单光子灵敏GM-APD作为探测单元,以全数字化方式实现微弱光学信号的有效检测.建立了GM-APD光子流响应模型,利用马尔科夫更新过程分析了光子探测盲区对GM-APD瞬态响应的影响,得到了GM-APD输出的数字脉冲频率与光子流密度之间的关联表达式.搭建了二维扫描成像实验验证装置,通过实验得到了不同密度光子流条件下的光子计数图像.采用标准化互信息量分析得到,在光子流密度为3.0×104count/s的条件下,该实验装置仍然可以实现可视成像;当光子流密度达到2.7×105 count/s时,标准化互信息量大于0.5;实现了在低光子流密度时采用光子计数方式对目标物体的有效成像.     

基于正电子湮灭的变结构γ光子探测器设计

<正>电子湮灭产生的成对γ光子具有511 Ke V的能量,通过晶体探测器以及合适的核素标记方式可以实现工业件内部腔体的无损检测。为满足工业被测对象结构多变的要求,设计了一种变结构γ光子探测器,可以根据工业件大小调节探测孔径,并实现了晶体探测模块与机架分离,具有成本低、灵活性好的优势。     

Fully integrated InGaAs/InP single-photon detector module with gigahertz sine wave gating

InGaAs/InP single-photon avalanche diodes (SPADs) working in the regime of GHz clock rates are crucial components for the high-speed quantum key distribution (QKD). We have developed for the first time a compact, stable, and user-friendly tabletop InGaAs/InP single-photon detector system operating at a 1.25 GHz gate rate that fully integrates functions for controlling and optimizing SPAD performance. We characterize the key parameters of the detector system and test the long-term stability of the system for continuous operation of 75 h. The detector system can substantially enhance QKD performance and our present work paves the way for practical high-speed QKD applications.     

基于 MCP / sCMOS 的单光子成像探测系统及算法研究

针对单光子计数成像技术探测目标信号微弱信噪比低、所得图像目标区域不清楚、背景噪声严重等问题。 本文利用 270±5 nm 的日盲紫外滤光片、图像增益 710 5 的微通道板像增强器(MCP)、荧光屏和最大分辨率为 1 504×1 504 的科学级互补金属 氧化物半导体(sCMOS)等器件,设计了日盲紫外单光子探测系统,并通过时序控制获取了单光子光斑图像。 为了突出图像中的目 标区域,本文利用改进的形态学高帽变换算法,对光斑目标区域进行增强处理;随后利用三角阈值法对图像进行二值化处理,同时 利用连通域对目标区域的坐标进行提取;最后运用区域极值算法在原图中的目标区域进行单光子计数。 对紫外光源进行了单次 曝光时间为 80~100 ns 的系列成像和数据处理实验,实验结果验证了所设计的单光子成像探测系统和光子计数算法的可行性。     

Calibration and standardization of the emission light path of confocal microscopes

Recently, there has been a large expansion in the usage of optical microscopes for obtaining quantitative information from biological samples in order to determine fundamental biological information such as molecular kinetics and interaction, and heterogeneity within cell populations. Consequently, we built a highly stable, uniform, isotropically emitting and convenient‐to‐use light source, and designed image analysis procedures for calibrating the emission light path of optical microscopes. We used the source and procedures to analyse the quantitative imaging properties of a widely used model of laser scanning confocal microscope. Results showed that the overall performance was as high as could be expected given the inherent limitations of the optical components and photomultiplier tubes. We observed that the photon detection efficiency did not vary with photomultiplier tube gain and that the highest dynamic range was achieved with relatively low gain and 12‐bit digitization. Practical applications of the light source for checking the transmission of optical components in the emission light path are presented.     

Imaging visible light with Medipix2

A need exists for high-speed single-photon counting optical imaging detectors. Single-photon counting high-speed detection of x rays is possible by using Medipix2 with pixelated silicon photodiodes. In this article, we report on a device that exploits the Medipix2 chip for optical imaging. The fabricated device is capable of imaging at >3000 frames/s over a 256×256 pixel matrix. The imaging performance of the detector device via the modulation transfer function is measured, and the presence of ion feedback and its degradation of the imaging properties are discussed.     

用于机械系统瞬时目标的双视角高速视觉检测系统

基于高速相机研发了双视角高速视觉检测系统。该系统可从不同角度对周期机械运动进行长时间、无接触的同步实时检测,并可自动判断和存储异常动作的瞬时高帧率视频图像。基于机械系统运动特性提取理论,提出了多视角高帧率视频图像的离线处理算法,利用两个高速相机准确建立了样本图像数据库及它们的对应关系。提出了多视角同步实时检测算法,完成了对目标的实时视觉检测,并实现了瞬时保存关键图像的功能。为验证算法的有效性和系统的稳定性,搭建了双视角高速视觉检测系统,对真实的机械系统进行了实验。结果显示,提出的系统实现了500fps的双目高速相机同步检测,以及0.1s内运动目标的自动判断,同时完成了对关键图像的瞬时保存。文中的研究为机械系统的非接触检测提供了一种高速可视化的检测方法。     

BCD工艺下光电集成的单光子雪崩光电二极管及前端电路的研制

提出一种基于BCD工艺用于检测微弱光信号的单光子雪崩光电二极管(SPAD)及前端淬灭-复位电路(QRC)。为减小边缘击穿的风险,提高响应度,设计了一种圆形P+/Nwell/Deep Nwell结构SPAD,Deep Nwell和衬底之间形成的pn结,能够有效减少p衬底流向雪崩区的暗电流,降低暗计数率,也保证了较小的纵向渡越时间,提高了响应速度。同时设计了P阱保护环,增大了器件的击穿电压。采用silvaco对器件进行二维仿真,与传统的P+/Nwell结构以及P+/Nwell/BNwell结构进行了比较,验证了设计结构在击穿电压、响应度方面的优越性。为实现光电探测器与集成电路的协同设计,改进了APD光电器件的等效电路模型并在此基础上设计了主动淬灭复位电路,死时间约为2.6 ns,能够达到快速探测的目的。测试结果表明,P+/Nwell/DNwell结构的雪崩击穿电压为15.8 V,在过电压为0.2 V时,650 nm光照射下,响应度约为0.80 A/W,暗计数率为20 kHz。     

基于DSP的骨质疏松症定量超声检测技术研究

根据骨质疏松症定量超声关键参数的检测原理,研制单晶片、非聚焦的收发两用超声传感器,采用脉冲透射方法,研究以DSP为核心的定量超声关键参数检测技术,解决超声波信号在骨骼中衰减前后的数据高速采集,以及信号的同步发送与接收问题,利用DSP在线高速处理特点,对采集的波形数据进行数字滤波、FFT变换及互相关处理,实现宽带超声衰减参数BUA和超声传播速度参数SOS的在线检测。通过对人体在体检测,表明该技术能实现人体骨密度超声参数的有效检测。     

基于 LVRT 系统的动物行为学实验系统

利用LVRT(LabVIEW real-time)实时操作系统部署高速图像处理算法,并结合FPGA(field programmable gate array)技术,建立一种面向动物行为学实验的高速实时检测跟踪与刺激系统,对连续帧图像做到确定性输出,实现各个不同动物行为学实验场景下的运动目标高速检测跟踪及刺激。应用实验表明,在100 fps采集速率下,该系统具有较好的实时性和稳定性,系统从目标检测到刺激反馈信号输出这一整个过程的处理时间稳定为10 ms,执行时间的平均相对误差较传统系统降低了15%,同时,在线分析完成了目标检测、运动轨迹、划分区域内小鼠行为特征分析等功能,离线分析生成运动轨迹热图,大大提升实验效率。