高速电子学及其在量子信息技术中的应用

论文摘要

物理学、化学和生物学等众多基础学科领域的检测技术追求更小的时间尺度,因而也就需要实现更高的时间精度。如何实现纳秒甚至皮秒级精度的时间测量是高速电子学的热点之一。本文对高精度时间信号的处理和检测技术进行了研究,设计出一套高精度时间甑别电路并将其应用于量子信息技术等领域,包含以下几个方面的内容:1.针对远程量子密钥分配系统需要亚纳秒级时间同步的需求,详细分析了自由空间量子密钥分配系统同步误差的来源,指出了空间光信号的传输时间精度判定误差主要来源于大气湍流等引起的光强抖动,首次提出了利用恒比甑别法降低同步误差的设想,并研制出对应的恒比甑别时间同步系统。通过野外的实地测试,在1.5公里单向传输时实现了95ps时间同步精度,往返3公里时间精度达到119ps,达到国际同类工作的先进水平;2.设计并完成了红外单光子探测器的研制过程中的高速微弱信号的放大、甄别和窄脉冲成型等工作,解决了红外单光子探测器研制中的部分难题;3.首次提出将半导体红外单光子探测技术应用于拉曼光谱测量并搭建了测试系统。这项技术将拉曼激发波长平移到近红外波段,避免了短波激发的强荧光信号淹没弱拉曼信号的问题,使得荧光材料的拉曼测量成为可能;4.利用红外单光子探测器的窄门控技术,提出采用门扫描模式测量荧光寿命的方法并在实验上予以实现。与传统的荧光寿命测量方法相比,不仅将测量波长拓展到近红外波段,而且解决了常开模式单光子探测器时间积累暗计数的问题,可实现更高灵敏度的时间谱测量;对铒镱共掺磷酸盐玻璃的荧光发射光谱和荧光寿命测量证实了该系统的实用性,为红外波段荧光光谱分析提供了一种新的测量手段。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 微弱光信号检测
• 1.1.1 光子
• 1.1.2 微弱光的光电信号
• 1.1.3 光子计数技术
• 1.1.4 光子计数技术的特点
• 1.2 单光子探测
• 1.2.1 光电效应
• 1.2.2 光电倍增管
• 1.2.3 雪崩光电二极管
• 1.3 量子信息
• 1.3.1 量子密钥分配
• 1.3.2 量子计算
• 1.4 荧光和荧光光谱
• 1.4.1 荧光
• 1.4.2 荧光寿命
• 1.4.3 稀土发光材料
• 参考文献
• 第二章 自由空间量子密钥分配系统同步精度
• 2.1 同步误差
• 2.1.1 同步方式
• 2.1.2 同步误差
• 2.1.3 同步误差测试
• 2.2 同步精度的改善
• 2.2.1 恒比甄别原理
• 2.2.2 恒比甄别器研制
• 2.2.3 同步精度改善
• 2.3 小结
• 参考文献
• 第三章 红外单光子探测器的实用化研究
• 3.1 基本原理
• 3.2 APD工作模式
• 3.2.1 线性模式和盖革模式
• 3.2.2 门脉冲模式
• 3.3 尖峰脉冲
• 3.3.1 产生原理
• 3.3.2 消除方法
• 3.4 实用的单光子探测器研制
• 3.4.1 系统框图
• 3.4.2 用户接口
• 3.4.3 信号处理
• 3.4.4 门脉冲产生
• 3.4.5 死时间设定
• 3.4.6 触发延时
• 3.4.7 放大与甄别
• 3.4.8 直流偏压
• 3.4.9 制冷和温控系统
• 3.4.10 性能参数
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 红外单光子探测器在光谱分析中的应用
• 4.1 荧光和荧光光谱
• 4.2 荧光寿命测量
• 4.2.1 时域方法
• 4.2.2 频域方法
• 4.3 铒镱共掺铒磷酸盐玻璃光谱
• 4.3.1 发射光谱
• 4.3.2 荧光寿命
• 4.4 红外激发拉曼光谱
• 4.5 小结
• 参考文献
• 攻读博士学位期间取得的科研成果