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单光子探测器研究现状与发展_霍晓培.pdf

单光子探测器研究现状与发展_霍晓培.pdf
单光子探测器是量子光学和量子信息领域的重要研究课题，它突破了传统探测器对振幅采样的局限，能够探测光子的偏振、波矢、相位等特性，具有测量信号完整性高、理论量子效率高、工作电压低、探测灵敏度高等优点，并有室温单光子探测的潜力。 本文首先介绍了单光子探测器的工作原理，即基于光电效应，通过测量光子与探测器件相互作用后电子状态的变化来探测光子。然后，文章综述了单光子探测器的主要种类，包括光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）和超导纳米线单光子探测器（SNSPD）。其中，PMT 和 APD 是传统的单光子探测器，而 SNSPD 属于新型探测器。文章比较了这些探测器的优缺点，例如 PMT 的探测效率高，但体积大、易受光照影响；APD 具有小型化、低功耗的优势，但暗计数率较高；SNSPD 具有高探测效率、低暗计数率、高重复率和纳秒级时间抖动的优点，尤其是在近红外波段性能优异，但需要低温工作。文章也介绍了单光子探测器的主要评价指标，包括光子探测效率（PDE）、暗计数率（DCR）、死时间（Dead time）和时间抖动（Timing jitter），它们直接影响探测器的性能。 文章重点介绍了国内外单光子探测器的发展现状。在 APD 方面，国内在 SiC-APD 的研究上取得进展，其暗计数率、探测效率和响应速度都有优势。此外，国内在 Si-SPAD 和 InGaAs/InP SPAD 焦平面组件技术方面也取得突破，并在低暗电流、高速性能方面有所提升。在 SNSPD 方面，SNSPD 的研究在国内也取得了显著进展，特别是在 1550 nm 波段实现了高探测效率。 最后，文章总结了单光子探测器在量子通信、激光测距和成像等领域的应用。在量子通信中，SNSPD 的应用提高了 QKD 的距离和密钥率。在激光测距方面，单光子探测器实现了远距离、高精度的测距。单光子成像技术，例如鬼成像，也取得了重要进展。未来，提高光子探测效率、降低暗计数率、实现探测器的小型化和常温工作是单光子探测器发展的主要方向。
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