南京大學(xué)研制陣列超導(dǎo)單光子探測器芯片

南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所，繼2017年將研制的大口徑超導(dǎo)陣列單光子探測器應(yīng)用于空間碎片探測和2019年月地激光測距等驕人成績后，近日超導(dǎo)陣列單光子探測器再立新功。從中國電科十四所某試驗外場傳來消息，超導(dǎo)單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)，實現(xiàn)了對低空大氣層中數(shù)百公里外目標(biāo)的實時跟蹤探測，展現(xiàn)了超導(dǎo)單光子探測器的強大應(yīng)用潛力。

由于光子是光的最小能量單元，具備單光子靈敏度的雷達(dá)系統(tǒng)可將激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能發(fā)揮到極致。在單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)的研究上，團隊與中國電子科技集團公司第十四研究所攜手合作多年。針對低空大氣衰減和湍流等復(fù)雜環(huán)境下，遠(yuǎn)距離目標(biāo)高精度探測難題，團隊為單光子雷達(dá)系統(tǒng)，最新研制了高靈敏、高精度、高速率的超導(dǎo)陣列單光子探測器，并在今年9月的外場試驗中，大幅度提高系統(tǒng)靈敏度和抗環(huán)境雜散光能力，成功實現(xiàn)了數(shù)百公里外移動和固定小目標(biāo)的實時跟蹤探測。圖(1)是單光子激光雷達(dá)探測170多公里外山峰的三維重構(gòu)圖像。

圖(1) 遠(yuǎn)距離山坡激光雷達(dá)圖像

超導(dǎo)電子學(xué)研究所青年長江學(xué)者張蠟寶教授，博士研究課題就是超導(dǎo)單光子探測技術(shù)，在吳培亨院士的指導(dǎo)下與團隊成員一起攻克了探測器芯片和系統(tǒng)的全部關(guān)鍵技術(shù)，于2008年研制出我國第一個超導(dǎo)單光子探測器。經(jīng)過多年的不懈努力，探測器的性能指標(biāo)不斷提高，從單元器件到陣列芯片，光學(xué)口徑從9微米到300微米，儀器系統(tǒng)的整體技術(shù)水平達(dá)到國際先進(jìn)，部分指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先。

2015年以來，針對國家戰(zhàn)略需求，與云南天文臺等單位合作，將大口徑超導(dǎo)陣列單光子探測系統(tǒng)應(yīng)用到空間碎片的探測研究中，成功探測到2千公里軌道上，0.04平米的空間碎片，填補了我國小空間碎片高精度探測的空白。2017年，利用儀器的光子數(shù)分辨功能，通過光子編碼技術(shù)，大幅度提高了系統(tǒng)的抗背景光干擾能力，解決了復(fù)雜氣象環(huán)境下、長距離目標(biāo)探測難題。在黃海海域的海面目標(biāo)探測實驗中，實現(xiàn)了70公里范圍內(nèi)的穿透云、霧等測量。2018年Science綜述論文(Science 17 Aug 2018: Vol. 361, Issue 6403, eaat2298, DOI: 10.1126/science.aat2298) 在引用中做了這樣評述：(該工作)證實在有霧條件下的長距離光子探測的可行性。

2019年，與中山大學(xué)等單位合作，首次將高時間精度超導(dǎo)陣列單光子探測器用于40萬公里的地月激光測距中，成功測得了月球表面上五組反射鏡的回波信號，且精度達(dá)到國際先進(jìn)水平。2020年初，團隊與中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合作，基于該高精度超導(dǎo)單光子探測器研制出近紅外二區(qū)熒光壽命共聚焦成像系統(tǒng)，首次在近紅外二區(qū)波段實現(xiàn)三維多色熒光壽命成像。此外，團隊研制的超導(dǎo)單光子探測器還在衛(wèi)星激光測距、量子信息、激光通信等多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

圖(2) 南京大學(xué)研制陣列超導(dǎo)單光子探測器芯片

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