中国科大在紫外波段单光子激光雷达方向取得新进展

　　近日，中国迷信技能年夜学张军等结合南京年夜学陆海、张荣团队正在紫外波段单光子激光雷达标的目的取患上新进展，经由过程设计制备基于4H-SiC资料的单光子雪崩光电二极管，成长自动淬灭自动恢复读出电路技能，研制出具备实用价值的紫外半导体单光子探测器，哄骗该探测器初次完成了单光子差分接收臭氧激光雷达体系，并完成1~3.5km高度规模内的臭氧浓度监测，相干结果颁发于《使用物理快报》[Appl. Phys. Lett. 125, 211103 (2024)]。

　　紫外单光子探测技能正在年夜气情况监测、尾焰探测、电弧检测以及火警预警等使用场景中阐扬侧重要作用。光电倍增管是紫外波段传统的单光子探测器件，但具备活络度低、寿命短、磁场敏感等劣势，无奈正在顽劣情况中（低温、震荡、强辐射）永劫间波动事情。相比之下，宽禁带半导体4H-SiC资料具备热导率高、抗辐射才能强、电子饱以及漂浮速率高和机能波动等特色，正在研制新型紫外半导体单光子探测器方面具备显著的资料机能上风。然而，恒久以来基于该资料的单光子探测器机能指标差，出格是探测效率极低、暗计数率极高，使患上该类型单光子探测器没有具备实用价值。

　　中国科年夜、南京年夜学团队最近几年来致力于紫外半导体单光子探测器的结合攻关，取患了一系列新冲破。2023年，研究团队经由过程优化4H-SiC单光子雪崩光电二极管新型歪斜台面布局以及制备工艺，并成长被动淬灭自动恢复读出电路技能，初次研制出了具备实用价值的小型化4H-SiC单光子探测器样机，正在266 nm波段探测效率为10.3%、暗计数率为133 kcps[Rev. Sci. Instrum. 94, 033101 (2023)]。今后，研究团队哄骗该探测器，初次演示了紫外波段单像素单光子成像试验，正在吸收光强约6pW的前提下完成了单光子成像，成像辨别率为192×192像素，帧率为4fps [Appl. Phys. Lett. 123, 024005 (2023)]。

图1. (a)4H-SiC单光子雪崩光电二极管布局；(b)自动淬灭自动恢复读出电路

　　正在此根蒂根基上，研究团队正在4H-SiC单光子探测器机能指标方面连续开展攻关。一方面，经由过程迭代优化4H-SiC单光子雪崩光电二极管布局以及工艺晋升了器件的单光子探测效率；另外一方面，针对4H-SiC单光子雪崩光电二极管器件的特性成长了新型自动淬灭自动恢复读出电路，正在有用按捺探测器后脉冲几率的同时显著晋升了饱以及计数率。经表征，新探测器正在266nm波段探测效率达16.6%、暗计数率为138kcps、后脉冲几率为2.7%、饱以及计数率达13Mcps，基本餍足了紫外单光子激光雷达使用对单光子探测器的机能需要。

　　研究团队哄骗该探测器初次正在单光子差分接收臭氧激光雷达体系中开展相干使用，该激光雷达体系将289nm以及316nm的脉冲激光同时垂直发射到年夜气中，因为臭氧份子对两种波长激光的接收系数没有同，经由过程比照两种激光回波旌旗灯号的衰减速率可以反上演年夜气没有同高度处的臭氧浓度。为了举行数据比对，试验中将回波旌旗灯号分为两路，划分用传统的光电倍增管以及新型4H-SiC单光子探测器举行探测以及数据反演，试验成果标明正在1~3.5km规模内应用两种探测器反上演的臭氧浓度漫衍高度吻合。上述事情为紫外波段单光子激光雷达供给了一种高机能、高情况耐受性的实用化解决方案。

图2.单光子差分接收臭氧激光雷达体系。(a)道理图；(b)臭氧浓度持续观测成果

　　该事情获得科技部、国度天然迷信基金委、中国迷信院、安徽省等赞助，同时获得山东国耀量子雷达科技有限公司的技能撑持。

文章链接：

https://doi.org/10.1063/5.0232210

https://doi.org/10.1063/5.0157862

https://doi.org/10.1063/5.0137823