高速单光子探测互差分技术及弱光成像研究

论文摘要

单光子探测技术是一种极微弱光探测技术,探测灵敏度可以达到单光子级别。随着量子保密通信、激光雷达、极弱光成像、非直线光散射通信等技术的发展,对于高采样率的单光子探测技术,即高速单光子探测技术的需求日益迫切。本论文重点探索了互差分方式下的高速单光子探测技术,根据器件的特点,以国外和国内两种光电探测器件——InGaAs雪崩二极管(APD)进行了验证性实验,结果表明互差分方法在单光子信号高速率采样方面有效可行;论文还利用压缩传感(CS)理论对单光子点探测器在极弱光二维成像应用可行性方面进行了初步研究。本文首先采用了电容和APD、APD和APD两种差分方法验证了互差分方法在提高单光子探测器采样率方面的可行性。在互差分方法下,单光子信号的采样速率高,不受硬件平台工作频率的限制,一定范围内采样率可调。利用国外的APD灵敏度高,可达到单光子级别的特点,构筑了与普通二极管匹配的互差分方案,在100MHz采样频率下获得了单光子雪崩信号,证明了互差分方法的优越性,由于普通二极管与APD特性的差异,二者信号波形不匹配和存在相位差,工作在更高采样率下仍然受到制约;采用两个国产APD在互差分方式下匹配性能较佳,即便在500MHz的工作频率下,差分效果仍然可以达到较理想的水平。本文通过实验,对两种APD的工作模式、幅频响应、灵敏度和光电增益等特性进行了研究和分析,指出了国产APD与进口器件的差异,为国产APD应用于高速单光子探测奠定了基础。本文还对单光子探测技术的在极弱光二维成像方面的应用进行了初步研究。利用压缩传感理论,借鉴Rice大学单像素相机的工作原理,提出了基于压缩传感理论的单光子计数成像系统,介绍了其硬件结构组成和模拟计算结果,完成了图像重建算法。从理论模拟实验方面验证了利用单光子点探测器获得光子水平二维图像的实验原理,为后续的实验研究奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 图目录
• 表目录
• 1 绪论
• 1.1 课题研究背景及意义
• 1.2 国内外研究与应用现状
• 1.3 论文的主要研究内容
• 1.4 论文章节安排
• 2 单光子探测基本理论与方法
• 2.1 单光子雪崩二极管的理论基础
• 2.1.1 单光子雪崩二极管的半导体结构
• 2.1.2 单光子雪崩二极管的工作模式
• 2.1.3 单光子雪崩二极管的性能参数
• 2.2 单光子雪崩二极管的驱动电路
• 2.2.1 被动淬灭原理
• 2.2.2 主动淬灭原理
• 2.2.3 主动-被动结合淬灭原理
• 2.2.4 门控方式驱动原理
• 2.3 门控方式下的雪崩信号提取方法
• 2.3.1 符合门控法
• 2.3.2 同轴电缆反射法
• 2.3.3 自差分方法
• 2.3.4 互差分方法
• 2.4 温度和偏压对单光子雪崩二极管性能的影响
• 2.4.1 温度对单光子雪崩二极管性能的影响
• 2.4.2 偏压对单光子雪崩二极管性能的影响
• 2.5 本章小结
• 3 高速单光子探测的互差分技术研究
• 3.1 国内外两种APD 的半导体结构和特性分析
• 3.2 基于国外APD 验证低采样率下互差分方法探测单光子的有效性
• 3.2.1 基于PGA400 的互差分方法讨论
• 3.2.2 PGA400 测试原理
• 3.2.3 基于PGA400 的互差分方法研究
• 3.3 基于国内APD 验证高采样率下双APD 互差分方法
• 3.3.1 基于国产APD 的互差分方法讨论
• 3.3.2 国产APD 测试原理
• 3.3.3 基于国产APD 的互差分方法研究
• 3.4 互差分方法总结与国内外两种APD 的特性分析
• 3.5 本章小结
• 4 基于压缩传感理论的单光子计数成像系统
• 4.1 极弱光成像技术背景
• 4.2 压缩传感理论
• 4.3 稀疏重建算法
• 4.4 系统框架设计
• 4.5 模拟实验结果
• 4.6 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 论文工作总结
• 5.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 攻读硕士学位期间申请的专利
• 致谢