Kürzlich hat die Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas, Zhang Jun und andere gemeinsame Nanjing-Universität, Lu Hai, das Zhang Rong-Team in Richtung der Ultraviolett-Band-Single-Photon-Lidar neue Fortschritte gemacht. Der Einzelphotonendetektor, der zum ersten Mal den Detektor verwendet, um das Differentialabsorption-Ozon-Lidar-System mit einem Photonen zu realisieren und die Ozonkonzentrationsüberwachung im Höhenbereich von 1 ~ 3,5 km zu realisieren.
Die UV-Single-Photon-Erkennungstechnologie spielt eine wichtige Rolle bei Anwendungsszenarien wie atmosphärischer Überwachung, Erkennung von Schwanzflamme, Erkennung elektrischer Bogen und Feuerwehr. Photomultiplikator-Röhrchen sind traditionelle Einzelphotonen-Detektorgeräte im UV-Band, aber sie haben die Nachteile von geringer Empfindlichkeit, kurzer Lebensdauer, Magnetfeldempfindlichkeit usw. und können in harten Umgebungen (hohe Temperatur, Schwingung, starke Strahlung) nicht stabil stabil funktionieren. Im Gegensatz dazu weist das durch hohe thermische Leitfähigkeit, hohe Strahlungswiderstand, hohe Elektronensättigungsdrift und stabile Leistung gekennzeichnete Breitband-Halbleiter-4H-SIC-Materials erhebliche Materialienvorteile der Entwicklung neuer Ultraviolett-Halbleiter-Einzelphoton-Detektoren auf. Für eine lange Zeit ist der Leistungsindex von Einzelphotonen -Detektoren, der auf diesem Material basiert, jedoch schlecht, insbesondere die Erkennungseffizienz sehr niedrig und die Dunkelzahlrate sehr hoch, wodurch diese Art des Einzelphotonendetektors keinen praktischen Wert hat.
In recent years, a team from the University of Science and Technology of China (USTC) and Nanjing University (NU) has made a series of breakthroughs in the joint research on ultraviolet semiconductor single-photon detectors.2023, the team optimized the new tilted-table structure and preparation process of 4H-SiC single-photon avalanche photodiodes and developed passive-quenching and active-recovering readout circuit Die Technologie entwickelte zum ersten Mal einen miniaturisierten 4H-SIC-Einzelphotonen-Detektorprototyp des praktischen Wertes, der zum ersten Mal als Prototyp verwendet wurde. Ein-Photonen-Detektorprototyp mit einer Nachweis-Effizienz von 10,3% und einer Dunkelzahl von 133 kCPs im 266-nm-Band [Rev. Sci. Instrument. 94, 033101 (2023)]. Seitdem hat das Forschungsteam den Detektor verwendet, um das erste Single-Pixel-Einzelphotonen-Bildgebungsexperiment im Ultraviolet (UV) -Band zu demonstrieren, wodurch ein Einzelphotonen-Bildgebung mit einer Bildgebungsauflösung von 192 × 192 Pixel und einer Bildrate von 4 fps bei einer empfangenen Lichtintensität von etwa 6 PW erzielt wird.
Abb. 1. (a) 4H-SIC-Ein-Photon-Avalanche-Photodiodenstruktur; (b) Aktive Löschung aktiver Wiederherstellungs -Auslesungskreislauf
Auf dieser Basis hat das Forschungsteam weiterhin am Leistungsindex von 4H-SIC-Einzelphotonen-Detektoren gearbeitet. Einerseits wurde die Effizienz der Einzelphotonenerkennung des Geräts verbessert, indem die 4H-SIC-Ein-Photon-Avalanche-Photodiodenstruktur und -prozess iterativ optimiert wurden. Andererseits wurde für das 4H-SIC-Ein-Photon-Avalanche-Photodiodengerät eine neue Art von aktiven Active-Recovery-Lautstärke entwickelt, die die Wahrscheinlichkeit des Rückspenders von Detektoren effektiv unterdrückt und die Sättigungszählrate gleichzeitig signifikant verbessert hat. Nach der Charakterisierung hat der neue Detektor eine Erkennungseffizienz von 16,6% im 266-nm-Band, eine Dunkelzahlrate von 138 kCPs, eine Nachverteidigungswahrscheinlichkeit von 2,7% und eine Sättigungszählungsrate von 13mcps, die im Wesentlichen den Leistungsanforderungen der Einzelphoton-Detektoren für UV-Einzelphoton-Lidar-Anwendungen entspricht.
The research team used the detector for the first time in the single-photon differential absorption ozone LIDAR system to carry out related applications, the LIDAR system will be 289nm and 316nm pulsed laser vertical emission into the atmosphere at the same time, due to the ozone molecules of the two wavelengths of the laser absorption coefficient of the two wavelengths of the laser, through the comparison of Die beiden Laser -Echo -Signalschwächungsrate kann umgekehrt die atmosphärische Konzentration von Ozon in verschiedenen Höhen durchgeführt werden. Um die Daten zu vergleichen, wurden die Echosignale in zwei Pfade unterteilt und mit dem traditionellen Photomultiplikator-Röhrchen und dem neuen 4H-SIC-Einzelphotonendetektor umgebaut und invertiert. Die obige Arbeit bietet eine leistungsstarke und hoch umweltverträgliche praktische Lösung für Einzelphotonen-Lidar im UV-Band.
Abb. 2. Ein-Photonen-Differentialabsorption-Ozon-Lidar-System. (a) schematisches Diagramm; (b) kontinuierliche Beobachtung der Ozonkonzentration
