针对超导纳米线单光子探测器（SNSPD）应用需求的多样化,设计了一款面向SNSPD的可拓展时间抖动测量模块。基于对SNSPD系统时间抖动测量原理的分析,设计了数字化单元、时间数字转换（TDC）单元和现场可编程门阵列（FPGA）单元,实现对SNSPD输出信号的数字化、时间信息测量以及数据读取。对该模块TDC单元的分辨率、线性度和时间精度分别标定,测试结果表明TDC单元的分辨率好于55 ps,测量数据呈线性,100 ns以内时间精度低于36 ps。通过结合实用化SNSPD系统,实现了100 ps左右的时间抖动表征,并与商用时间相关单光子计数（TCSPC）模块进行对比,验证了该模块对于SNSPD系统时间抖动测量的可行性。

高重复频率的飞秒激光在高速激光测距和三维成像等领域有着非常重要的作用。其中基于飞秒光纤激光器的高次谐波锁模是获得GHz量级以上高重复频率脉冲的重要手段之一。基于含腔内光栅对色散补偿的非线性偏振旋转（NPR）锁模的掺镱（Yb）光纤激光器，在180 mW泵浦光时获得了稳定的143 MHz基频锁模脉冲序列，当泵浦光功率升至1 W时获得了最高20次谐波（2.86 GHz）锁模脉冲序列输出。系统地对比研究了基频锁模与高次谐锁模状态下，脉冲重复频率精密锁定后的艾伦偏差和相位噪声，7次谐波锁模状态下重复频率锁定精度能够保持在10⁻¹³ Hz@1 s的稳定度，为高次谐波锁模飞秒激光脉冲序列用于精密测量提供了实验依据。

超导纳米线单光子探测器(SNSPD)被认为是一种具有良好综合性能的单光子探测技术,其优异的时间分辨能力使得该器件在量子精密测量和时变天文观测等领域具有广泛的应用。从热周期、电周期和时间抖动三个方面,综述了SNSPD时间分辨率的影响因素、内在的物理机制、内禀极限以及可能的优化方向,并介绍了本课题组最近关于X射线SNSPDs的时间分辨率研究。SNSPDs的研究有助于揭示超导纳米线单光子探测技术内在的物理机制,对其在时间测量相关的实际工程中的应用具有价值。

光子计数激光雷达具有灵敏度高、体积小等特点, 是未来远距离探测激光雷达的发展方向。光子计数激光雷达在探测时会产生游走误差, 从而影响系统的测距精度。文章就游走误差与探测器时间抖动之间的关系进行了理论分析与实验验证。首先, 基于激光雷达方程、单光子探测器时间抖动与光子计数探测的概率统计特性, 建立了激光回波信号与探测器时间抖动的数学模型；然后使用该模型进一步推导了探测器时间抖动与游走误差之间的关系, 计算分析与仿真实验都表明：系统的游走误差与探测器时间抖动呈正相关关系。最后, 使用拥有不同时间抖动的单光子探测器进行了实验, 实验结果表明：当探测器时间抖动标准差分别为15, 350和1152ps时, 游走误差分别为0.88, 2.55和12.56cm。

时间抖动是衡量光频梳、低相噪激光器、微波光子雷达等低噪系统性能的核心参数, 其精确测量已成为一项重要工作。传统的直接探测法受限于微波振荡器的本地噪声或光电探测器的噪声, 测量精度较低, 在实际应用中无法实现对极低时间抖动参数的高精度测量; 光外差、光学互相关等光学测量方法存在着系统复杂的缺点, 并且对参考源和被测源的要求较高。为了测量阿秒级别的时间抖动, 本文研究了一种高精度、无参考源的时间抖动测量方法, 该方法主要基于长光纤延迟线和光载波干涉技术实现对时间抖动的超高精度测量, 在满足较高测量精度的前提下无需两个相似待测源, 极大降低了测量系统的复杂程度。然后, 优化了测量系统结构, 解释了光纤延迟线体系中伪像峰机理, 并提出了二次差频梳齿模型。系统仿真测得100 MHz重频激光器在其100次谐波点10 GHz处、频偏10 MHz时的噪声基底为3.29×10-13 fs2/Hz(等同于-211 dBc/Hz), 从10 kHz到10 MHz总的均方根时间抖动为535 as。实验结果表明, 此方法在超低时间抖动测量方面具有明显优势, 作为一种便捷、高效的时间抖动测量方法, 可以应用于被动锁模激光器、光频梳、超连续谱等不同待测源。

结合激光能量涨落对输出电脉冲涨落影响的实验, 通过理论分析研究了激光能量涨落对GaAs光电导开关时间抖动特性的影响。 实验中, 当外加偏置电压为2 kV时, 使用波长为1 053 nm、脉宽为500 ps的激光触发GaAs光电导开关, 在不同的激光能量下测试能量涨落对输出电脉冲涨落的影响, 通过对比分析指出激光能量的涨落与输出电脉冲涨落成正比关系。结合对光生载流子输运过程的分析, 结果表明随着激光能量涨落的增加, GaAs光电导开关时间抖动也会随之增加, 直到激光能量达到GaAs饱和吸收限时, 能量的涨落不会再引起开关时间抖动的迅速变化。这一结论为GaAs光电导开关应用于条纹相机中提供了理论基础。