基于超導(dǎo)單光子探測(cè)器的紅外光學(xué)系統(tǒng)噪聲分析和優(yōu)化*

周飛 陳奇 劉浩 戴越 魏晨 袁杭 王昊 涂學(xué)湊 康琳 賈小氫 趙清源 陳健 張蠟寶? 吳培亨

1) (南京大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,超導(dǎo)電子學(xué)研究所,南京 210023)

2) (網(wǎng)絡(luò)通信與安全紫金山實(shí)驗(yàn)室,南京 211111)

高靈敏度的紅外探測(cè)系統(tǒng)對(duì)于遠(yuǎn)距離探測(cè)有巨大的潛力,但光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲會(huì)抑制探測(cè)系統(tǒng)的信噪比,從而降低探測(cè)靈敏度與探測(cè)距離.本文基于紅外超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器,設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在中紅外波段的光學(xué)系統(tǒng),構(gòu)建了紅外光學(xué)系統(tǒng)自發(fā)輻射計(jì)算模型,理論分析了紅外光學(xué)系統(tǒng)的信噪比和噪聲特性.首次提出了利用高性能超導(dǎo)單光子探測(cè)器精確表征紅外光學(xué)系統(tǒng)的微弱背景輻射光信號(hào),為優(yōu)化設(shè)計(jì)紅外系統(tǒng)提供了依據(jù).并且基于超導(dǎo)單光子探測(cè)器的光子計(jì)數(shù)能力,研究了光學(xué)系統(tǒng)的背景輻射對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)性能的影響,并優(yōu)化了光學(xué)系統(tǒng)的性能.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,超導(dǎo)單光子探測(cè)器對(duì)于分析紅外光學(xué)系統(tǒng)具有較高的靈敏度,最小可分辨移動(dòng)距離為2.74 × 10–2 mm,在黑體溫度為100 ℃時(shí),光子計(jì)數(shù)率提高了6.4 × 104 cps(1 cps=1 cycle per second),光學(xué)系統(tǒng)的耦合效率提升了97%;在黑體溫度為102 ℃時(shí),光子計(jì)數(shù)率提高了9.1 × 104 cps,光學(xué)系統(tǒng)的耦合效率提升了114%,降低了雜散輻射對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的影響,同等條件下系統(tǒng)信噪比提升2.7 倍,對(duì)于超導(dǎo)紅外探測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用研究具有重要意義.

1 引言

制冷型[1–3]紅外探測(cè)器相比較于非制冷型[4–6]探測(cè)器具有更低的暗噪聲,從而可以獲得更高的信噪比[7],在軍事探測(cè)[8]和安全監(jiān)測(cè)[9,10]領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用.制冷型紅外探測(cè)器目前得到了廣泛的研究,超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器(superconducting nanowire single-photon detector,SNSPD)是一種制冷型光子計(jì)數(shù)探測(cè)器,可以對(duì)極其微弱的光進(jìn)行探測(cè),因此具有較高的靈敏度.陳奇等[11]制備了一個(gè)工作頻帶為5—10 μm 的SNSPD,該探測(cè)器在波長6 μm 處可以實(shí)現(xiàn)飽和的量子效率,在1.55—5.07 μm 寬光譜處可實(shí)現(xiàn)近飽和量子效率.此外,當(dāng)探測(cè)器工作在0.9 倍于納米線超導(dǎo)躍遷電流的偏置電流下,在10.2 μm 波長處量子效率達(dá)到53%.然而,在常溫下,儀器自身的熱輻射會(huì)對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度造成極大干擾,嚴(yán)重時(shí)會(huì)淹沒探測(cè)目標(biāo)信號(hào).因此,提高紅外探測(cè)的信噪比和降低背景噪聲是提升紅外探測(cè)系統(tǒng)靈敏度的關(guān)鍵.

高靈敏度的紅外探測(cè)系統(tǒng)要求具有較低的噪聲,紅外噪聲的分析是當(dāng)前紅外領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).張立帥和吳平[12]根據(jù)紅外光子探測(cè)器的基本原理,推導(dǎo)了背景輻射的光子噪聲,并根據(jù)理論分析提出了提高背景限制下比探測(cè)率的方法.楊宗耀等[13]針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景的噪聲抑制需求,利用仿真軟件對(duì)紅外輻射進(jìn)行了噪聲模擬分析,揭示了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)噪聲特性的影響機(jī)制.賈天石等[14]從線纜、采集電路、電源和偏壓等部分分析了系統(tǒng)的噪聲,并實(shí)現(xiàn)了對(duì)電路噪聲的抑制,有效降低了系統(tǒng)噪聲.唐國良等[15]借助稱重測(cè)量原理的噪聲抑制效果,對(duì)短波紅外高光譜成像系統(tǒng)探測(cè)器噪聲和光子噪聲進(jìn)行了分析,并通過仿真計(jì)算了系統(tǒng)噪聲抑制效果.馬寧等[16]對(duì)紅外熱像儀的空間噪聲和時(shí)間噪聲進(jìn)行了分析,主要分析了積分時(shí)間和定標(biāo)校正過程中標(biāo)定點(diǎn)的溫度對(duì)噪聲的影響,通過不同像素對(duì)靶標(biāo)區(qū)域的響應(yīng)值的標(biāo)準(zhǔn)差來表征.

目前對(duì)紅外輻射和紅外噪聲的抑制方案已經(jīng)得到了廣泛的研究,其中絕大部分采用軟件分析來表征紅外系統(tǒng)的噪聲性能和噪聲抑制水平[17–19],一部分則是通過彌散斑和偏壓噪聲來表征[20,21].本文中的紅外光學(xué)系統(tǒng)自身產(chǎn)生的輻射到達(dá)探測(cè)器的輻通量遠(yuǎn)低于納瓦量級(jí),常規(guī)紅外探測(cè)器靈敏度受限,很難定量研究.SNSPD 作為光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器,可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行探測(cè),利用SNSPD 的光子計(jì)數(shù)能力可以對(duì)雜散輻射以及光學(xué)系統(tǒng)的噪聲特性進(jìn)行表征,所以紅外SNSPD 成為研究紅外光子噪聲的重要工具.本文基于SNSPD 的光子計(jì)數(shù)能力,對(duì)紅外SNSPD 的光學(xué)系統(tǒng)的背景輻射進(jìn)行了理論分析,并建立了基于SNSPD 的紅外光學(xué)系統(tǒng)自發(fā)輻射模型,分析了SNSPD 紅外光學(xué)系統(tǒng)與噪聲等效溫差(noise-equivalent temperature difference,NETD)的關(guān)系.通過SNSPD 定量表征了紅外光學(xué)系統(tǒng)的背景光子計(jì)數(shù)特性,并基于此優(yōu)化設(shè)計(jì)了光學(xué)系統(tǒng),提高了紅外 SNSPD 光學(xué)系統(tǒng)的信噪比.

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 紅外SNSPD 測(cè)量系統(tǒng)

制冷型紅外探測(cè)系統(tǒng)具有靈敏度高、暗噪聲低的優(yōu)點(diǎn),更加適用于遠(yuǎn)距離探測(cè)和背景輻射嚴(yán)重的場(chǎng)景探測(cè).本文借助SNSPD 的光子計(jì)數(shù)能力對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的性能進(jìn)行表征與分析.搭建的紅外SNSPD的測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖1(a)所示,包含黑體源、光學(xué)系統(tǒng)、制冷機(jī)、SNSPD 和電學(xué)讀出部分組成.作為紅外光源,黑體源采用的是MIKRON 的M305紅外光源,溫度范圍為100—1000 ℃.制冷機(jī)的3 層窗口片均為在0.6—16 μm 有較高透過率的硒化鋅窗口片,制冷機(jī)結(jié)構(gòu)由4 層結(jié)構(gòu)組成,為SNSPD提供可正常工作的超低溫環(huán)境,4 層制冷結(jié)構(gòu)由外到內(nèi)的溫度分別為300 K,40 K,3 K 和0.05 K.SN SPD 安裝在制冷機(jī)的最內(nèi)層0.05 K 的制冷結(jié)構(gòu)中,光敏區(qū)域的方向正對(duì)著窗口的方向.為減小能量損失,所有光學(xué)元件中心以及SNSPD 的光敏區(qū)域的中心均在同一光軸上.黑體源被固定在氣浮減震平臺(tái)上以減小結(jié)構(gòu)擾動(dòng)帶來的干擾,黑體輻射經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)和4 層窗口片后,聚焦耦合至SNSPD的光敏面上,SNSPD 的光敏區(qū)域接收到光子后產(chǎn)生響應(yīng),并通過電學(xué)讀出實(shí)現(xiàn)光子探測(cè)與光子計(jì)數(shù).

圖1 (a) 紅外SNSPD 的測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖;(b) 紅外測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.1.(a) Schematic measurement system diagram of infrared SNSPD;(b) the optical part of an infrared measurement system.

2.2 仿真分析與模型建立

高靈敏的紅外探測(cè)系統(tǒng)具備很高的溫度分辨能力,可實(shí)現(xiàn)更加精密的熱紅外探測(cè),相關(guān)探測(cè)靈敏度通常通過噪聲等效溫差(NETD)來表征.NETD象征著探測(cè)器能探測(cè)到的目標(biāo)物體與背景之間的最小溫差,其計(jì)算公式為

其中VRMS代表噪聲的均方根,ΔT為目標(biāo)與背景的表觀溫差,ΔV為溫度變化為ΔT時(shí)對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)變化量,NNETD為此時(shí)NETD 的值.NNETD越小,象征著探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度越高,探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度主要受噪聲的強(qiáng)度影響,噪聲的強(qiáng)度越低,對(duì)信號(hào)光的影響就越小.目前基于SNSPD 的NETD 的計(jì)算公式尚未見報(bào)道,但可以確定的是,在相同條件下,SNSPD 紅外探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度越高,光子計(jì)數(shù)率越高,噪聲計(jì)數(shù)越低,有利于提升NETD 性能.因此,若要提升探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度,首先需要對(duì)探測(cè)系統(tǒng)的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)和噪聲特性進(jìn)行分析.SNSPD 通過光子計(jì)數(shù)率(photon count rate,PCR)來表征信號(hào)光的強(qiáng)度,PCR 的值越大,信號(hào)光強(qiáng)度越大.背景計(jì)數(shù)率(background count rate,BCR)用來表征背景輻射的強(qiáng)度,故定義SNSPD 探測(cè)系統(tǒng)的信噪比[22]模型為

其中,nP為PCR 的值,nB為BCR 的值,RSNR為該時(shí)刻的信噪比的值.根據(jù)(2)式,若要提高探測(cè)系統(tǒng)的RSNR,首先應(yīng)確保nB遠(yuǎn)小于nP,降低背景輻射對(duì)探測(cè)目標(biāo)帶來的干擾.其次是提高探測(cè)系統(tǒng)的nP,增大目標(biāo)輻射到達(dá)探測(cè)器光敏區(qū)域的光子數(shù).根據(jù)圖1(a)所示的紅外SNSPD 探測(cè)系統(tǒng)可以得知,探測(cè)系統(tǒng)的光學(xué)部分如黃色虛線部分所示.光學(xué)系統(tǒng)由于其原子的熱運(yùn)動(dòng),時(shí)刻向外輻射能量,根據(jù)維恩位移定律,黑體輻射光譜出射峰值波長λm與溫度T之間的關(guān)系為

通過(3)式可以看出,黑體輻射的峰值波長隨溫度的升高向短波長方向移動(dòng).故對(duì)于室溫的光學(xué)系統(tǒng)而言,其在紅外波段輻射量較大,因此光學(xué)系統(tǒng)相當(dāng)于探測(cè)器前的一個(gè)紅外光源.如果光學(xué)系統(tǒng)的噪聲特性不夠理想,會(huì)導(dǎo)致光源淹沒在探測(cè)系統(tǒng)本身產(chǎn)生的背景輻射中,因此需要定量分析光學(xué)系統(tǒng)帶來的輻射以及其對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)性能的影響.

黑體源產(chǎn)生的紅外輻射在到達(dá)探測(cè)器光敏面之前,會(huì)經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)和4 層窗口片,故紅外探測(cè)系統(tǒng)的自發(fā)輻射分為兩部分,一部分是制冷機(jī)外部的光學(xué)系統(tǒng)帶來的自發(fā)輻射,另一部分是制冷機(jī)窗口片帶來的自發(fā)輻射.實(shí)驗(yàn)方案中的光學(xué)系統(tǒng)總共包含一個(gè)反射鏡、一個(gè)耦合透鏡和4 層窗口片,本文以這6 片鏡片作為對(duì)象,建立光學(xué)系統(tǒng)自發(fā)輻射模型.在系統(tǒng)光路上,按照距離探測(cè)器由近到遠(yuǎn)的鏡片的順序依次為: 0.05 K 窗口片L1,3 K 窗口片L2,40 K 窗口片L3,300 K 窗口片L4,聚焦透鏡L5 和反射鏡L6.設(shè)第i面鏡片的發(fā)射率為εi,若為透射鏡片,透射率為ρi,若為反射鏡片,反射率為ρi,溫度為Ti.對(duì)于窗口片L1 而言,兩個(gè)面分別向兩個(gè)相反的方向產(chǎn)生自發(fā)輻射,故到達(dá)探測(cè)器的自發(fā)輻射是L1 總自發(fā)輻射的一半,則L1 鏡面產(chǎn)生的自發(fā)輻射傳播到探測(cè)器的輻照度為

其中F為光學(xué)系統(tǒng)的相對(duì)孔徑的倒數(shù),L2 的自發(fā)輻射向探測(cè)器方向傳播,當(dāng)通過L1 時(shí),由于L1 的透射率并不是100%,故有

同理,窗口片L3 和L4 的傳播過程和L2 類似,L3和L4 到達(dá)探測(cè)器上的輻射照度為

因此,可以計(jì)算出4 層窗口片到達(dá)探測(cè)器的總的紅外輻射照度為

其中,L(T)為溫度為T時(shí)標(biāo)準(zhǔn)黑體的輻亮度.

對(duì)于耦合透鏡L5 和反射鏡L6,其傳播過程與窗口片自發(fā)輻射的傳播過程類似,故L5 和L6 到達(dá)探測(cè)器的紅外輻射為

故L1—L6 的光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)探測(cè)器總紅外輻射照度為

普朗克公式闡明了黑體輻亮度L(T)與溫度T之間的關(guān)系為

其中,c1是第1 輻射常數(shù),c2是第2 輻射常數(shù).本方案中采用的硒化鋅窗口片的厚度為3 mm,直徑為25.3 mm,在3—5 μm 波段的透射率約為72%,吸收系數(shù)為4 × 10–4cm–1.因此對(duì)于4 層硒化鋅窗口片而言,ε1=ε2=ε3=ε4=1.2 × 10–4,由于L1的內(nèi)表面置于0.05 K 溫度下,L2 的內(nèi)表面置于3 K 溫度下,故T1=0.05 K,T2=3 K,由于T1和T2溫度較低接近絕對(duì)零度,故L1 和L2 產(chǎn)生的紅外輻射可忽略不計(jì).根據(jù)L3 和L4 的內(nèi)表面所處的環(huán)境溫度和(12)式計(jì)算得到:L(T3)=4.96 ×10–28W/m2,L(T4)=5.86 W/m2,可以看出4 層窗口片的總紅外自發(fā)輻射主要是最外層窗口片提供的,故可以得到E窗=2.90 × 10–6W/m2.耦合透鏡L5 采用的是氟化鋇鏡片,厚度為3.8 mm,直徑為25.3 mm,在中紅外波段的透光率約為90%,吸收系數(shù)為3.2 × 10–6cm–1.故可以得到E5=2.14 ×10–8W/m2,而反射鏡的反射率大于99%,故發(fā)射率小于1%,在理論計(jì)算自發(fā)熱輻射時(shí)可以忽略不計(jì).通過對(duì)比發(fā)現(xiàn),雖然窗口片L1 — L4 距離探測(cè)器較近,但由于其朝向探測(cè)器的發(fā)射面處于制冷環(huán)境中,其產(chǎn)生的自發(fā)輻射遠(yuǎn)低于距離光敏面較遠(yuǎn)的處于常溫環(huán)境中的L5,制冷環(huán)境抑制了光學(xué)系統(tǒng)的熱輻射,降低了紅外光學(xué)系統(tǒng)的噪聲.

通過以上計(jì)算,可以得到光學(xué)系統(tǒng)的總輻照度E總=2.93 × 10–6W/m2.由于本方案中使用的探測(cè)器的光敏面大小為10 μm × 10 μm,故光學(xué)系統(tǒng)在探測(cè)器光敏面上的輻通量為2.93 × 10–16W.

通過對(duì)光學(xué)系統(tǒng)中鏡片的自發(fā)輻射的分析,得到了光學(xué)系統(tǒng)鏡面自發(fā)輻射與紅外探測(cè)光敏面上輻照度之間的關(guān)系,進(jìn)而可以得到該紅外SNSPD光學(xué)系統(tǒng)的自發(fā)輻射模型.假設(shè)黑體源產(chǎn)生的紅外輻射照度為E源,則由光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)可知,在理想情況下,到達(dá)探測(cè)器的輻照度E黑為

根據(jù)(13)式即可得知當(dāng)黑體溫度為300 K 時(shí),黑體產(chǎn)生的紅外輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)和4 層窗口片的輻照度為:E黑=1.42 W/m2,結(jié)合探測(cè)器光敏面的大小可知,在探測(cè)器光敏面上的輻通量為1.42 ×10–10W.通過理論分析可以看出,在黑體源溫度為300 K 時(shí),背景輻射在探測(cè)器上的輻通量遠(yuǎn)小于輻射源在探測(cè)器上的輻通量,該光學(xué)系統(tǒng)理論上具有較低的自發(fā)輻射和較高的信噪比,對(duì)開展實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測(cè)量具有一定的指導(dǎo)意義.

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)(1)式可知,當(dāng)溫度變化ΔT時(shí),NNETD隨著輸出電壓噪聲的均方根的增大而增大,與ΔT內(nèi)電壓的變化量成反比.從提高紅外探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度出發(fā),需要降低NNETD,就需要降低輸出電壓噪聲的均方根,即降低光學(xué)系統(tǒng)的噪聲對(duì)紅外探測(cè)系統(tǒng)的影響,同時(shí)需要提高ΔT內(nèi)輸出電壓的變化量,提高探測(cè)系統(tǒng)的信噪比.對(duì)于SNSPD 而言,其光子計(jì)數(shù)能力對(duì)于定量地表征光學(xué)系統(tǒng)的噪聲特性有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).SNSPD 通過nP來表征探測(cè)目標(biāo)輻射的強(qiáng)度,故對(duì)于SNSPD 而言,ΔT溫度變化范圍內(nèi)光子計(jì)數(shù)率的變化量ΔnP即等效于半導(dǎo)體探測(cè)系統(tǒng)中輸出電壓的變化量ΔV,而噪聲則是通過nB來表征,所以可以推出,SNSPD 探測(cè)系統(tǒng)的NNETD與ΔnP正相關(guān),與BCR 的均方根σBCR負(fù)相關(guān),同時(shí)與探測(cè)系統(tǒng)的RSNR正相關(guān).

圖1(b)所示為本方案的紅外SNSPD 空間測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物圖,黑體校準(zhǔn)源出射口的直徑大小為25.4 mm.黑體產(chǎn)生的紅外光源經(jīng)出射口到達(dá)反射鏡,再經(jīng)反射鏡反射后經(jīng)過透鏡聚焦,并穿過4 層窗口片后到達(dá)探測(cè)器的光敏區(qū)域.為保證光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性,從黑體源到制冷機(jī)最外層窗口之間采用25.3 mm 的同軸光學(xué)系統(tǒng).為了避免外界雜散輻射進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng),本方案采用可調(diào)節(jié)屏蔽套管來阻止外界雜散輻射的進(jìn)入,從而確保nB足夠小.本方案設(shè)計(jì)并制備了一個(gè)中紅外SNSPD,器件采用雙面拋光的硅襯底,并且在硅襯底上制備了一層MoSi 超導(dǎo)薄膜,在超導(dǎo)薄膜上沉積了一層金作為SNSPD 的電極,最終經(jīng)過電子束曝光刻蝕出納米線,圖2(a)所示為該SNSPD 的納米線區(qū)域在掃描電子顯微鏡(SEM)的觀測(cè)圖.所制備的SNSPD的光敏面的大小為 10 μm×10 μm,電流-電壓特性曲線如圖2(b)所示,器件的超導(dǎo)臨界電流為3.2 μA.

圖2 (a) SNSPD 的SEM 觀測(cè)圖(納米線的線寬為30 nm);(b) SNSPD 的電流-電壓特性曲線Fig.2.(a) SEM image of SNSPD (the line width of the nanowire is 30 nm);(b) I-V characteristic curve for measurement of SNSPD.

首先,利用SNSPD 的光子計(jì)數(shù)能力表征光學(xué)系統(tǒng)帶來的背景輻射,當(dāng)黑體源關(guān)閉時(shí),偏置電流固定在2.79 μA,在5 min 內(nèi)觀測(cè)光子計(jì)數(shù)情況如圖3(a)所示,5 min 內(nèi)探測(cè)系統(tǒng)的nB波動(dòng)較小,均值為1.0×105cps,均方根σBCR為454 cps,nB和σBCR以光子數(shù)的形式定量表征了光學(xué)系統(tǒng)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的背景噪聲及其抖動(dòng),結(jié)果表明該光學(xué)系統(tǒng)本征熱輻射較小,與仿真分析較為吻合.同時(shí),如仿真結(jié)果,該系統(tǒng)接收的背景輻射功率非常低,遠(yuǎn)小于10–10W,很難用常規(guī)的光功率計(jì)測(cè)量.因此,我們采用高靈敏度的SNSPD 對(duì)背景計(jì)數(shù)進(jìn)行定量表征.為探究黑體溫度與nP的關(guān)系,保持偏置電流不變,將黑體溫度分別設(shè)置為400,500,600,700 和800 ℃,結(jié)果如圖3(b)所示.當(dāng)黑體溫度為400 ℃時(shí)的PCR 的均值為2.7 × 105cps,標(biāo)準(zhǔn)差為1.2 × 103cps.當(dāng)黑體溫度為800 ℃時(shí),nP均值為3.5 × 106cps,標(biāo)準(zhǔn)差為4.4 × 103cps,400 ℃的溫差內(nèi)nP的變化量ΔnP為3.2 × 106cps,nP隨著溫度的升高而大幅度增大,驗(yàn)證了超導(dǎo)單光子探測(cè)器在光學(xué)系統(tǒng)分析領(lǐng)域的能力.同時(shí)為了探究當(dāng)ΔT較小時(shí),ΔnP的變化情況,將黑體溫度設(shè)置為405,505,605,705 和805 ℃,探究當(dāng)ΔT為5 ℃時(shí),ΔnP與溫度之間的關(guān)系,結(jié)果表明: ΔnP隨著溫度的升高而增大,同時(shí)可以看出,在固定的溫度下,若要提高ΔnP,首先應(yīng)該提高nP.

圖3 (a) 探測(cè)系統(tǒng)的nB (200 s 內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)差為454 cps);(b) 不同溫度下的nP 和ΔnPFig.3.(a) nB of the infrared optical system (the standard deviation in 200 s is 454 cps);(b) nP and ΔnP on different temperature.

對(duì)于光子計(jì)數(shù)型探測(cè)器而言,nB越大,表明探測(cè)系統(tǒng)中的噪聲越大,因此,要想提高探測(cè)系統(tǒng)的靈敏度,就要提高探測(cè)系統(tǒng)的RSNR,一來通過提高探測(cè)系統(tǒng)的nP來提高ΔnP的值,二來是通過降低nB,減小光學(xué)系統(tǒng)由于自發(fā)輻射帶來的噪聲.為了提高nP,首先要確保光學(xué)系統(tǒng)的出射口的黑體輻射光斑與SNSPD 的光敏區(qū)域盡可能同軸,從而保證較高的空間耦合效率.黑體出射口的直徑為25.3 mm,而探測(cè)器光敏面的大小遠(yuǎn)小于黑體出射口的大小,若要保證耦合聚焦之后的光斑都照射在探測(cè)器的光敏區(qū)域,則需要確保探測(cè)器與黑體輻射光斑同軸,從而確保盡可能少的能量損失.SNSPD的光子計(jì)數(shù)能力能夠?qū)臻g耦合效率實(shí)現(xiàn)確切的數(shù)值表征.在黑體源開啟且溫度固定的情況下,SNSPD 所能探測(cè)到的光子數(shù)越多,即nP越大,表明此時(shí)具有較低的能量損失和較高的空間耦合效率.將偏置電流固定在2.79 μA 時(shí),在光學(xué)系統(tǒng)中不包含聚焦透鏡的情況下,將黑體溫度設(shè)置為100 ℃,通過微調(diào)黑體下方的光學(xué)平臺(tái)來控制光學(xué)系統(tǒng)出射口光斑的位置,探究光學(xué)系統(tǒng)出射口光斑位置與nP之間的關(guān)系.為進(jìn)一步探究該系統(tǒng)的靈敏度特性,將ΔT進(jìn)一步縮小為2 ℃,探究nP與黑體出射口位置之間的關(guān)系.

由于SNSPD 安裝在制冷機(jī)最內(nèi)層,無法實(shí)時(shí)觀測(cè)SNSPD 與光學(xué)系統(tǒng)出射口的耦合情況,僅有窗口區(qū)域允許制冷機(jī)內(nèi)部與外界進(jìn)行通信.然而較低的耦合效率會(huì)帶來較大的能量損失,導(dǎo)致nP的降低,從而影響SNSPD 探測(cè)系統(tǒng)的NETD 性能.SNSPD 的光子分辨能力可以通過光子數(shù)定量地表征輻射源與SNSPD 的光敏區(qū)域的空間耦合的情況,通過微調(diào)光學(xué)平臺(tái)來移動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)和制冷機(jī)窗口的位置,實(shí)時(shí)觀測(cè)nP的變化,在水平面上向一固定方向平移,在2 mm 移動(dòng)范圍內(nèi),如圖4(a)所示,當(dāng)黑體溫度為100 ℃時(shí),移動(dòng)前nP的均值為7.6 × 104cps,移動(dòng)后nP的均值為4.2 × 104cps.如圖4(b)所示,當(dāng)黑體溫度為102 ℃時(shí),移動(dòng)前nP的均值為7.9 × 104cps,移動(dòng)后nP的均值為4.7 × 104cps.通過對(duì)比可以得知,當(dāng)溫度固定不變時(shí),黑體源出射口在2 mm 的移動(dòng)范圍內(nèi),nP的變化達(dá)到3.4 × 104cps,由此可以看出,系統(tǒng)微小的移動(dòng)也會(huì)導(dǎo)致光子數(shù)產(chǎn)生較大的變化,對(duì)表征光學(xué)系統(tǒng)的表征具有較高的靈敏度.故可以推測(cè),當(dāng)nP的變化數(shù)值與σBCR相當(dāng)時(shí),此時(shí)的移動(dòng)距離即為SNSPD 可分辨的系統(tǒng)最小移動(dòng)距離,由于該光學(xué)系統(tǒng)的σBCR為454 cps,故經(jīng)過計(jì)算SNSPD 可識(shí)別的系統(tǒng)最小移動(dòng)距離為 2.74 × 10–2mm,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)極其微小的抖動(dòng)進(jìn)行識(shí)別,因而有望應(yīng)用于精密儀器的監(jiān)測(cè)領(lǐng)域.

圖4 (a) 100 ℃溫度下,2 mm 移動(dòng)范圍內(nèi)nP 的變化情況(nP1 為未移動(dòng)時(shí)的光子計(jì)數(shù)率,nP2 為水平移動(dòng)2 mm 后的光子計(jì)數(shù)率);(b) 102 ℃溫度下,2 mm 移動(dòng)范圍內(nèi)nP 的變化情況(nP3 為未移動(dòng)時(shí)的光子計(jì)數(shù)率,nP4 為水平移動(dòng)2 mm 后的光子計(jì)數(shù)率);(c) 100 ℃溫度下,使用耦合透鏡前后的nP (nP5 為未使用聚焦透鏡時(shí)的光子計(jì)數(shù)率,nP6 為使用聚焦透鏡時(shí)的光子計(jì)數(shù)率);(d) 102 ℃溫度下,使用耦合透鏡前后的nP (nP7 為未使用聚焦透鏡時(shí)的光子計(jì)數(shù)率,nP8 為使用聚焦透鏡時(shí)的光子計(jì)數(shù)率).圖(a)—(d)中實(shí)線對(duì)應(yīng)橫坐標(biāo)為各nP 對(duì)應(yīng)的180 s 內(nèi)的均值,τ 為對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差Fig.4.(a) At 100 ℃,the changes of nP within the 2 mm moving range at 100 ℃ (nP2 is the photon count rate without moving,nP1 is the photon count rate after moving 2 mm horizontally);(b) changes of nP within the 2 mm moving range at 102 ℃ (nP4 is the photon count rate without moving,nP3 is the photon count rate after moving 2 mm horizontally);(c) nP before and after using the coupled lens at 100 ℃ (nP5 is the photon count rate when the focusing lens is not used,nP6 is the photon count rate when the focusing lens is used);(d) nP before and after the coupling lens is used at 102 ℃ (nP7 is the photon count rate when the focusing lens is not used,nP8 is the photon count rate when the focusing lens is used).In panels (a)–(d),the horizontal coordinate corresponding to the solid line is the mean value of each nP within 180 s,and τ is the corresponding standard deviation.

由于黑體源出腔口的大小遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于探測(cè)器光敏面的大小,所以即使通過微調(diào)光學(xué)系統(tǒng)出射口與制冷機(jī)窗口的相對(duì)位置使光源與SNSPD 的光敏面同軸,也會(huì)存在大量紅外輻射傳播至探測(cè)器光敏面之外的位置,導(dǎo)致大量的能量損失.為降低能量損失,使更多的紅外輻射到達(dá)探測(cè)器光敏面,需要使用聚焦透鏡來縮小黑體輻射的光斑,使得紅外輻射被盡可能地耦合至探測(cè)器光敏區(qū)域,從而提高nP.如圖1(a)所示,黑體源產(chǎn)生的紅外輻射經(jīng)反射鏡傳播至SNSPD 的光敏面上,其中出射口到反射鏡中心的距離為6.5 cm,反射鏡中心到制冷機(jī)內(nèi)探測(cè)器位置的距離為38.3 cm.首先利用光功率計(jì)在制冷機(jī)最外層窗口處對(duì)紅外輻射進(jìn)行了測(cè)量,黑體溫度固定在100 ℃時(shí),功率計(jì)10 mm × 10 mm的感光區(qū)域內(nèi)接收到的輻射光功率為0.172 mW,根據(jù)光功率與光子數(shù)之間的關(guān)系,通過計(jì)算可以得知此時(shí)的光子數(shù)為2.59 × 1015個(gè),則此時(shí)經(jīng)過4 層窗口片后到達(dá)探測(cè)器光敏面的光子數(shù)為6.90 ×108個(gè).當(dāng)在制冷機(jī)最外層增加一片焦距為150 mm的聚焦透鏡時(shí),到達(dá)探測(cè)器光敏面的光子數(shù)應(yīng)為7.18 × 109個(gè),通過理論計(jì)算得知,聚焦透鏡可以大幅提升黑體紅外輻射與SNSPD 的空間耦合效率.因此本實(shí)驗(yàn)中選用在紅外波段具有高透光率的氟化鋇聚焦透鏡,加入到該測(cè)量系統(tǒng)當(dāng)中,在保持偏置電流不變的情況下,將黑體源的溫度分別固定在100 ℃和102 ℃時(shí),在10 min 內(nèi)觀察nP的情況.通過圖4(c)可以看出,當(dāng)黑體溫度為100 ℃時(shí)且未對(duì)黑體光斑聚焦時(shí),nP的均值為7.6 × 104cps,而當(dāng)加入聚焦透鏡后,nP的均值為1.5 ×105cps,通過加入聚焦透鏡前后光子數(shù)的對(duì)比可以得知,耦合效率提升了大約97%.如圖4(d)所示,當(dāng)黑體溫度為102 ℃時(shí)且未對(duì)黑體光斑聚焦時(shí),nP的均值為7.9 × 104cps,而當(dāng)加入聚焦透鏡后,nP的均值為1.7 ×105cps,透鏡的加入使耦合效率提升了大約114%,在考慮到SNSPD 的量子效率與吸收效率后,實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真計(jì)算結(jié)果呈現(xiàn)出較高的吻合度.對(duì)比圖4(c)與圖4(d)可知,2 ℃的溫差范圍內(nèi)ΔnP的數(shù)值提升了1.6 × 104cps.通過設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng),將信噪比提升了2.7 倍,并且對(duì)聚焦透鏡給光學(xué)系統(tǒng)帶來的影響進(jìn)行了光子級(jí)別的表征.

為提升測(cè)量系統(tǒng)的RSNR,除了提升nP,有效抑制nB也尤為重要.在紅外聚焦透鏡的下方,利用兩端長度可調(diào)節(jié)套管將其構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu),其中上層套管有兩個(gè)作用,一來用于調(diào)節(jié)焦距,二來根據(jù)焦距調(diào)節(jié)聚焦透鏡到制冷機(jī)窗口之間的長度,下層套管負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)焦距和根據(jù)焦距調(diào)節(jié)聚焦透鏡到反射鏡的距離,從而確保光學(xué)系統(tǒng)的常溫部分沒有外界雜散輻射的引入.除了本文所采用的在常溫部分通過屏蔽套管抑制外界雜散輻射外,制冷機(jī)內(nèi)部設(shè)計(jì)也能大大降低nB,可以通過在探測(cè)器前端增加一個(gè)效率為100%的冷闌,只允許探測(cè)目標(biāo)的輻射通過該冷闌.還可以通過在制冷機(jī)最內(nèi)層結(jié)構(gòu)的內(nèi)壁涂敷黑色金屬圖層,降低制冷機(jī)內(nèi)部雜散輻射的干擾.

3 結(jié)論

SNSPD 的光子計(jì)數(shù)能力是對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)噪聲特性定量表征的一種新穎且重要的方式,對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的意義.本文理論分析了紅外SNSPD 光學(xué)系統(tǒng)的噪聲的來源,并建立了基于SNSPD 的紅外光學(xué)系統(tǒng)的信噪比與背景輻射計(jì)算模型,首次提出了利用SNSPD 表征紅外光學(xué)系統(tǒng)的背景輻射強(qiáng)度,并且基于SNSPD 的光子計(jì)數(shù)能力分析了SNSPD 紅外光學(xué)系統(tǒng)的性能與NETD 和SNR 的關(guān)系.實(shí)驗(yàn)表明SNSPD 可識(shí)別的系統(tǒng)最小移動(dòng)距離為2.74 × 10–2mm,并通過對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的分析與優(yōu)化,在黑體溫度為100 ℃時(shí),空間耦合效率提升了97%,信噪比提升了2.7 倍,對(duì)高靈敏度的超導(dǎo)紅外探測(cè)系統(tǒng)的研究具有一定的指導(dǎo)意義.