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1.5μm单光子探测器在激光遥感中的应用

上官明佳  
【摘要】:单光子探测器作为最精密的测量仪器,可探测到光的最小单元,单个光子。单光子检测技术己广泛应用在激光雷达、分布式光纤探测器、生物荧光检测、量子信息、光学成像等领域。目前,1.5 μm波段单光子探测器主要包括超导纳米线单光子探测器、频率上转换单光子探测器、InGaAs/InP单光子雪崩二极管。1.5 μm波段气溶胶激光雷达具有人眼安全,大气透过率高,受瑞利散射干扰小,太阳背景辐射弱的优点。本论文针对这三个探测器的特点,分别研制了不同类型的激光遥感设备。本论文的主要工作如下:1.研制了基于上转换单光子探测器的人眼安全1.5μm微脉冲气溶胶激光雷达。采用高探测效率和超低噪声的上转换单光子探测器,实现了大气回波信号的高信噪比探测。在脉冲能量为110μJ,望远镜口径100mm,时间分辨率5分钟,激光雷达实现了水平距离7km的大气气溶胶探测。在验证实验中,上转换气溶胶激光雷达实现了对大气能见度的昼夜连续24小时的观测。2.研制了 1.5μm波段的全光纤、微脉冲、人眼安全的高光谱分辨测风激光雷达。通过采用基于扫描Fabry-Perot干涉仪的高光谱分辨率技术,以及单光子检测技术,同时获得了大气气溶胶谱的频移和谱宽信息。在验证实验中,当时间分辨率1分钟时,水平探测距离达到4km。在距离为1.8km的位置,距离分辨率由30m变换到60m。对比实验中,高光谱分辨测风激光雷达的径向风速测量结果与超声风场传感器Vaisala所得测量结果吻合。根据经验公式,风速的标准偏差在1.8km处为0.76m/s,光谱展宽的标准偏差在1.8km处为2.07MHz。3.研制了基于1.5 μm波段的结构紧凑、人眼安全、双边缘直接探测多普勒测风激光雷达。通过采用全光纤保偏结构,保证了光学耦合效率,提高了系统稳定性。通过采用时分复用技术,仅采用单通道Fabry-Peort干涉仪和单通道上转换单光子探测器,实现了双边缘探测技术。校准实验中,系统的相对误差低于0.1%。验证实验中,双边缘测风激光雷达实现了连续48小时的大气的风场和能见度探测。该激光雷达的测量结果与超声测风传感器具有很好的一致性,速度的标准偏差为1.04 m/s,方向的标准偏差为12.3°。4.研制了基于自由运行InGaAs/InP单光子探测器的1.5气溶胶激光雷达。针对激光雷达应用,对自由运转单光子探测器探测效率、暗计数率、后脉冲概率、最大计数率进行了优化。通过优化,探测器的最大计数率为1.6 Mcps,探测效率10%,暗计数率950cps,后脉冲概率18%。针对InGaAs/InP单光子探测器后脉冲概率大的特点,提出了一种针对后脉冲和计数率修正的算法。在外场实验中,经算法修正后,基于InGaAs/InP单光子探测器的气溶胶激光雷达探测的Pr2与基于超导单光子纳米线探测器探测的结果吻合,相对误差约为2%。5.研制了基于超导纳米线单光子探测器的双频多普勒测风激光雷达。采用双频激光器代替传统的多通道Fabry-Perot干涉仪,实现了激光器和光学鉴频器的高精度锁频。采用高量子效率和低暗计数噪声超导纳米线单光子探测器,提高了探测信噪比,其100Mcps的最大计数率避免了激光雷达的信号饱和现象。采用时分复用技术,基于集成光电子学器件实现不同方向的径向风探测,无机械扫描器件。采用微弱光源、小口径望远镜,在10米高度分辨率、10秒时间分辨率条件下,超导双频激光雷达实现了 2.7km高度以下大气的风切变探测。6.研制了基于上转换光子计数探测器和全光纤法布里-珀罗扫描干涉仪的直接探测布里渊时域反射计。由于上转换单光子探测器超低的噪声等效功率,以及Fabry-Perot干涉仪高光谱分辨率的优点,沿保偏光纤的布里渊谱可以直接在光学频域进行分析。采用高光谱分辨方法,同时获得光纤中布里渊散射谱的频移、功率和谱宽信息,实现了分布式温度传感。采用双边缘技术,实现了动态应变的快速探测。


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