南京大學(xué)研制陣列超導(dǎo)單光子探測(cè)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(cè)器應(yīng)用于空間碎片探測(cè)和2019年月地激光測(cè)距等驕人成績(jī)后，近日超導(dǎo)陣列單光子探測(cè)器再立新功。從中國(guó)電科十四所某試驗(yàn)外場(chǎng)傳來(lái)消息，超導(dǎo)單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)低空大氣層中數(shù)百公里外目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤探測(cè)，展現(xiàn)了超導(dǎo)單光子探測(cè)器的強(qiáng)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(tuán)隊(duì)與中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十四研究所攜手合作多年。針對(duì)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(cè)難題，團(tuán)隊(duì)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(cè)器，并在今年9月的外場(chǎng)試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了數(shù)百公里外移動(dòng)和固定小目標(biāo)的實(shí)時(shí)跟蹤探測(cè)。圖(1)是單光子激光雷達(dá)探測(cè)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(zhǎng)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(cè)技術(shù)，在吳培亨院士的指導(dǎo)下與團(tuán)隊(duì)成員一起攻克了探測(cè)器芯片和系統(tǒng)的全部關(guān)鍵技術(shù)，于2008年研制出我國(guó)第一個(gè)超導(dǎo)單光子探測(cè)器。經(jīng)過(guò)多年的不懈努力，探測(cè)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(guó)際先進(jìn)，部分指標(biāo)達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先。

2015年以來(lái)，針對(duì)國(guó)家戰(zhàn)略需求，與云南天文臺(tái)等單位合作，將大口徑超導(dǎo)陣列單光子探測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用到空間碎片的探測(cè)研究中，成功探測(cè)到2千公里軌道上，0.04平米的空間碎片，填補(bǔ)了我國(guó)小空間碎片高精度探測(cè)的空白。2017年，利用儀器的光子數(shù)分辨功能，通過(guò)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(zhǎng)距離目標(biāo)探測(cè)難題。在黃海海域的海面目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了70公里范圍內(nèi)的穿透云、霧等測(cè)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(píng)述：(該工作)證實(shí)在有霧條件下的長(zhǎng)距離光子探測(cè)的可行性。

2019年，與中山大學(xué)等單位合作，首次將高時(shí)間精度超導(dǎo)陣列單光子探測(cè)器用于40萬(wàn)公里的地月激光測(cè)距中，成功測(cè)得了月球表面上五組反射鏡的回波信號(hào)，且精度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。2020年初，團(tuán)隊(duì)與中國(guó)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(cè)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(shí)現(xiàn)三維多色熒光壽命成像。此外，團(tuán)隊(duì)研制的超導(dǎo)單光子探測(cè)器還在衛(wèi)星激光測(cè)距、量子信息、激光通信等多個(gè)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(cè)器芯片

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