随着工业的不断发展,单光子激光测距凭借其探测距离远和探测灵敏度高等特点在测绘领域扮演着不可或缺的角色。本文介绍了单光子激光测距的关键技术、单光子探测器以及着重介绍了单光子激光测距技术应用领域的研究进展,并对未来单光子激光测距的发展进行了总结和展望。

硅基微环腔的结构参数、半导体特性和工艺形貌会对相关光子对输出重复频率产生重要影响。将晶体硅非线性损耗计入输出重复频率的仿真计算,推导出全通型硅基微环腔自发四波混频效应模型,并利用该模型研究了全通型硅基微环腔品质因数、微环腔半径、晶体硅自由载流子寿命等参数对输出重复频率的影响。结果表明,当外品质因数取值5×104, 抽运功率达到15 mW且继续升高时,输出重复频率反而降低;理想情况下微环腔半径越小,输出重复频率越高;对硅基微环腔相关光子对光源而言,提高输出重复频率的首选方案是降低自由载流子寿命。

为在相关光子定标技术工程化过程中选择合适的泵浦机制及相位匹配模式, 开展了基于连续和脉冲激光的相关光子比对实验.采用355 nm连续激光泵浦偏硼酸钡晶体产生相关光子对, 对晶体吸收、透射损耗以及光学元件透过率进行测量和修正, 同时使用基于时间幅度转换的符合测量方法,得到单光子探测器量子效率为59.15%.利用518 nm脉冲激光泵浦周期极化磷酸钛氧钾晶体, 采用准相位匹配技术获取相同波段的相关光子, 基于时间幅度转换的符合测量方法得到单光子探测器量子效率为59%.比对实验结果, 两套定标装置方法的测量结果之差在0.25%以内, 主要误差来源于单光子探测器的响应非线性、光路透过率修正误差和单光子探测量子效率面非均匀性.实验结果验证了相关光子定标技术可随时随地复现的优点, 以及相关光子定标结果不受泵浦机制差异和实验装置差异的影响, 可为相关光子技术工程化中的激光器工作模式和相位匹配方式的选择提供参考依据.

为满足全球气候观测、定量化遥感等超高精度定标需求, 研制了基于参量下转换自校准辐射基准源原理样机, 设计时充分考虑原理样机模块化、轻量化与集成化.对探测器模块关键部位结构进行静力学分析, 结果显示由零件形变导致探测器光敏面位置偏移21 μm, 探测器光敏面直径为180 μm, 透镜聚焦的光子光斑直径为16 μm, 光斑可全部进入探测器光敏面, 满足设计需求.用微光相机观察各探测器前光子光斑, 结果显示光斑形状规则、大小完整, 用单光子探测器采集相关光子, 通过符合测量绘制出八通道四对相关光子符合峰, 验证了原理样机整机结构设计达到设计目标.

为测量红外模拟探测器量子效率, 搭建了基于参量下转换效应的测量系统.利用光学参量振荡器调谐输出的2 576.5 nm波长连续激光束作为泵浦源、ZnGeP2晶体作为非线性晶体, 获取了3.42 μm和10.4 μm的相关光子对.实验中通过将采集到的两个通道的光电流/电压信号转换为等效光子计数, 并利用两光路平衡测量的方法对每个模式的平均光子计数进行校正, 实现了碲镉汞红外模拟探测器在10.4 μm处的绝对功率响应度定标, 得到了相对合成不确定度优于4.53%的定标结果.

利用基于参量下转换产生的相关光子可以实现“无溯源”的绝对定标。该定标方法推广应用于模拟探测器定标的过程中,其中获 取高通量的相关光子是一个重要的难点。介绍了一种基于自发参量下转换制备高通量相关光子的方法原理和实验装置。 采用532 nm连续激光泵浦周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体,在满足准相位匹配(QPM)方式下产生高通量的纠缠光源,改变泵浦 光源的功率,实验结果显示具有较好的线性。叙述了准相位匹配技术原理,搭建了制备高通量相关光子的实验装置,并优化 了泵浦激光光源和各光学元器件的设计参数。该研究结果为后期进行高精度定标和模拟探测奠定了基础。

针对我国空间科学的未来发展和应用需求,以及目前星上定标和在轨定标方法的局限性,提出一种基于自发参量下转换效应的自校准宽谱段(450～1500 nm) 辐射基准源设计方案。该辐射基准源系统主要由宽波段参量下转换、观测与自校准复用光路、多路光子计数与符合探测、信号采集与 测量控制等4个主要功能模块构成。辐射基准源兼有星上自校准和自主观测功能,能够在不依赖于外部基准的条件下实现高精度的自校准,保障对 地高精度观测,为其他卫星有效载荷提供高精度的量值传递标准。

为准确测量近红外波段单光子探测器量子效率, 搭建了基于自发参量下转换效应的测量系统.系统利用中心波长为518 nm的脉冲激光泵浦周期极化磷酸氧钛钾晶体, 通过自发参量下转换过程产生相关光子对, 分别测量了Si和InGaAs雪崩光电二极管单光子探测器在778 nm和1 550 nm波长点的量子效率, 并对测量不确定度进行了分析.实验表明, 该装置可以测量近红外单光子探测器量子效率参量, 测量不确定度均优于1%.