随着科学技术的不断发展,单光子雪崩光电二极管(SPAD)在极弱光探测领域起着不可或缺的作用。但是,在需要同时进行可见光和红外光的应用场景下,单一波峰响应的SPAD往往独木难支,而采用多个单波峰器件又降低了整个系统的集成度。为解决这一问题,设计了一种分别在可见光区和红外光区响应的双波峰SPAD。为确保该器件能实现预期的功能,首先利用半导体工艺器件仿真软件(TCAD)来验证该器件的合理性,再通过搭建外部淬灭电路来测试SPAD的各项性能参数。测试结果显示,该器件的雪崩击穿电压为12.75 V。在22 ℃的室温条件下(过偏压为0.5 V),SPAD的光子探测概率在520 nm处达到32%,在840 nm处达到12%。此外,当过偏压为1 V时,其暗计数率(DCR)为1 kHz。因此,该SPAD能够实现对可见光及近红外光的双波峰探测,并且将DCR控制在一个较低的范围内。

实现脉冲星导航首先需要对脉冲星进行高精度测量,而脉冲星辐射的X射线相干时间极短,到达卫星探测器的光通量极低,必须在极弱光条件下实现强度关联探测来获取脉冲星信息。针对这一问题,使用可见光模拟源进行了强度关联干涉测量实验研究,获取二阶干涉条纹并得到了对应的角直径,分析了符合计数对测量误差的影响,以及探测系统的空间和时间分辨率对强度关联干涉测量结果的影响,为脉冲星X射线强度关联探测系统硬件参数的选取提供了依据。

极弱光成像或者单光子成像在夜视、侦查以及空间科学等诸多领域都有迫切的应用需求。电子轰击型有源像素传感器(Electron Bombarded Active Pixel Sensor, EBAPS)具有高灵敏、高分辨率、低噪声、小体积、低功耗的特性, 正成为新一代先进的极弱光成像传感器。针对自主开发 EBAPS的应用需求, 选取了国内生产的有源像素像传感器(Active Pixel Sensor, APS)进行了相机电路开发。并针对穿戴式的资源约束, 选用了小尺寸、低功耗的 FLASH型 FPGA为主控芯片, 完成了 APS相机电路的软硬件设计与开发。测试显示, 在视频工作情况下, 整机功耗 0.6 W, 电子学噪声 6.7 mV, 基本实现了微型低功耗的相机要求, 为穿戴式 EBAPS相机研制奠定了基础。

为解决灵敏度达到单光子水平的面阵探测器件其单位像素上灵敏度有限和测量数多等问题, 研制了具有极高灵敏度的成像系统来实现欠采样的极弱光成像探测。该成像系统基于光子计数成像技术和压缩感知理论, 利用数字微镜器件(DMD)完成随机空间光调制, 通过单光子点探测器收集光子, 以计数形式记录下光强值。然后, 利用算法重建出极弱光照明下的图像。文中设计了相关实验, 研究了测量数、光强极弱程度和测量时间对成像质量的影响。最后, 引入了图像质量评价标准和系统信噪比, 分析对比了实验数据。结果表明, 当测量数高于信号总维度的19.5%时, 系统能完美成像, 信噪比可低至2.843 8 dB, DMD单位像素上的平均光子数可低于1.106 count/s, 成像的关键在于信号的波动大于噪声的波动。该成像系统基本满足了极弱光成像探测在光强、灵敏度和采样数等方面的要求。