基于超導單光子探測器的紅外光學系統(tǒng)噪聲分析和優(yōu)化*

周飛 陳奇 劉浩 戴越 魏晨 袁杭 王昊 涂學湊 康琳 賈小氫 趙清源 陳健 張蠟寶? 吳培亨

1) (南京大學電子科學與工程學院,超導電子學研究所,南京 210023)

2) (網絡通信與安全紫金山實驗室,南京 211111)

高靈敏度的紅外探測系統(tǒng)對于遠距離探測有巨大的潛力,但光學系統(tǒng)內部的噪聲會抑制探測系統(tǒng)的信噪比,從而降低探測靈敏度與探測距離.本文基于紅外超導納米線單光子探測器,設計了一個工作在中紅外波段的光學系統(tǒng),構建了紅外光學系統(tǒng)自發(fā)輻射計算模型,理論分析了紅外光學系統(tǒng)的信噪比和噪聲特性.首次提出了利用高性能超導單光子探測器精確表征紅外光學系統(tǒng)的微弱背景輻射光信號,為優(yōu)化設計紅外系統(tǒng)提供了依據.并且基于超導單光子探測器的光子計數能力,研究了光學系統(tǒng)的背景輻射對紅外探測系統(tǒng)性能的影響,并優(yōu)化了光學系統(tǒng)的性能.實驗結果表明,超導單光子探測器對于分析紅外光學系統(tǒng)具有較高的靈敏度,最小可分辨移動距離為2.74 × 10–2 mm,在黑體溫度為100 ℃時,光子計數率提高了6.4 × 104 cps(1 cps=1 cycle per second),光學系統(tǒng)的耦合效率提升了97%;在黑體溫度為102 ℃時,光子計數率提高了9.1 × 104 cps,光學系統(tǒng)的耦合效率提升了114%,降低了雜散輻射對探測系統(tǒng)的影響,同等條件下系統(tǒng)信噪比提升2.7 倍,對于超導紅外探測系統(tǒng)的應用研究具有重要意義.

1 引言

制冷型[1–3]紅外探測器相比較于非制冷型[4–6]探測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[8]和安全監(jiān)測[9,10]領域中得到了廣泛的應用.制冷型紅外探測器目前得到了廣泛的研究,超導納米線單光子探測器(superconducting nanowire single-photon detector,SNSPD)是一種制冷型光子計數探測器,可以對極其微弱的光進行探測,因此具有較高的靈敏度.陳奇等[11]制備了一個工作頻帶為5—10 μm 的SNSPD,該探測器在波長6 μm 處可以實現飽和的量子效率,在1.55—5.07 μm 寬光譜處可實現近飽和量子效率.此外,當探測器工作在0.9 倍于納米線超導躍遷電流的偏置電流下,在10.2 μm 波長處量子效率達到53%.然而,在常溫下,儀器自身的熱輻射會對探測系統(tǒng)的靈敏度造成極大干擾,嚴重時會淹沒探測目標信號.因此,提高紅外探測的信噪比和降低背景噪聲是提升紅外探測系統(tǒng)靈敏度的關鍵.

高靈敏度的紅外探測系統(tǒng)要求具有較低的噪聲,紅外噪聲的分析是當前紅外領域的研究熱點.張立帥和吳平[12]根據紅外光子探測器的基本原理,推導了背景輻射的光子噪聲,并根據理論分析提出了提高背景限制下比探測率的方法.楊宗耀等[13]針對應用場景的噪聲抑制需求,利用仿真軟件對紅外輻射進行了噪聲模擬分析,揭示了結構設計對噪聲特性的影響機制.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,并實現了對電路噪聲的抑制,有效降低了系統(tǒng)噪聲.唐國良等[15]借助稱重測量原理的噪聲抑制效果,對短波紅外高光譜成像系統(tǒng)探測器噪聲和光子噪聲進行了分析,并通過仿真計算了系統(tǒng)噪聲抑制效果.馬寧等[16]對紅外熱像儀的空間噪聲和時間噪聲進行了分析,主要分析了積分時間和定標校正過程中標定點的溫度對噪聲的影響,通過不同像素對靶標區(qū)域的響應值的標準差來表征.

目前對紅外輻射和紅外噪聲的抑制方案已經得到了廣泛的研究,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].本文中的紅外光學系統(tǒng)自身產生的輻射到達探測器的輻通量遠低于納瓦量級,常規(guī)紅外探測器靈敏度受限,很難定量研究.SNSPD 作為光子計數型探測器,可以對單個光子進行探測,利用SNSPD 的光子計數能力可以對雜散輻射以及光學系統(tǒng)的噪聲特性進行表征,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 的光子計數能力,對紅外SNSPD 的光學系統(tǒng)的背景輻射進行了理論分析,并建立了基于SNSPD 的紅外光學系統(tǒng)自發(fā)輻射模型,分析了SNSPD 紅外光學系統(tǒng)與噪聲等效溫差(noise-equivalent temperature difference,NETD)的關系.通過SNSPD 定量表征了紅外光學系統(tǒng)的背景光子計數特性,并基于此優(yōu)化設計了光學系統(tǒng),提高了紅外 SNSPD 光學系統(tǒng)的信噪比.

2 實驗部分

2.1 紅外SNSPD 測量系統(tǒng)

制冷型紅外探測系統(tǒng)具有靈敏度高、暗噪聲低的優(yōu)點,更加適用于遠距離探測和背景輻射嚴重的場景探測.本文借助SNSPD 的光子計數能力對光學系統(tǒng)的性能進行表征與分析.搭建的紅外SNSPD的測量系統(tǒng)結構示意如圖1(a)所示,包含黑體源、光學系統(tǒng)、制冷機、SNSPD 和電學讀出部分組成.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,制冷機結構由4 層結構組成,為SNSPD提供可正常工作的超低溫環(huán)境,4 層制冷結構由外到內的溫度分別為300 K,40 K,3 K 和0.05 K.SN SPD 安裝在制冷機的最內層0.05 K 的制冷結構中,光敏區(qū)域的方向正對著窗口的方向.為減小能量損失,所有光學元件中心以及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上以減小結構擾動帶來的干擾,黑體輻射經過光學系統(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)域接收到光子后產生響應,并通過電學讀出實現光子探測與光子計數.

圖1 (a) 紅外SNSPD 的測量系統(tǒng)結構示意圖;(b) 紅外測量系統(tǒng)實物圖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

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

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

其中,nP為PCR 的值,nB為BCR 的值,RSNR為該時刻的信噪比的值.根據(2)式,若要提高探測系統(tǒng)的RSNR,首先應確保nB遠小于nP,降低背景輻射對探測目標帶來的干擾.其次是提高探測系統(tǒng)的nP,增大目標輻射到達探測器光敏區(qū)域的光子數.根據圖1(a)所示的紅外SNSPD 探測系統(tǒng)可以得知,探測系統(tǒng)的光學部分如黃色虛線部分所示.光學系統(tǒng)由于其原子的熱運動,時刻向外輻射能量,根據維恩位移定律,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.故對于室溫的光學系統(tǒng)而言,其在紅外波段輻射量較大,因此光學系統(tǒng)相當于探測器前的一個紅外光源.如果光學系統(tǒng)的噪聲特性不夠理想,會導致光源淹沒在探測系統(tǒng)本身產生的背景輻射中,因此需要定量分析光學系統(tǒng)帶來的輻射以及其對紅外探測系統(tǒng)性能的影響.

黑體源產生的紅外輻射在到達探測器光敏面之前,會經過光學系統(tǒng)和4 層窗口片,故紅外探測系統(tǒng)的自發(fā)輻射分為兩部分,一部分是制冷機外部的光學系統(tǒng)帶來的自發(fā)輻射,另一部分是制冷機窗口片帶來的自發(fā)輻射.實驗方案中的光學系統(tǒng)總共包含一個反射鏡、一個耦合透鏡和4 層窗口片,本文以這6 片鏡片作為對象,建立光學系統(tǒng)自發(fā)輻射模型.在系統(tǒng)光路上,按照距離探測器由近到遠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.對于窗口片L1 而言,兩個面分別向兩個相反的方向產生自發(fā)輻射,故到達探測器的自發(fā)輻射是L1 總自發(fā)輻射的一半,則L1 鏡面產生的自發(fā)輻射傳播到探測器的輻照度為

其中F為光學系統(tǒng)的相對孔徑的倒數,L2 的自發(fā)輻射向探測器方向傳播,當通過L1 時,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 到達探測器上的輻射照度為

因此,可以計算出4 層窗口片到達探測器的總的紅外輻射照度為

其中,L(T)為溫度為T時標準黑體的輻亮度.

對于耦合透鏡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 到達探測器的紅外輻射為

故L1—L6 的光學系統(tǒng)到達探測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之間的關系為

其中,c1是第1 輻射常數,c2是第2 輻射常數.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%,吸收系數為4 × 10–4cm–1.因此對于4 層硒化鋅窗口片而言,ε1=ε2=ε3=ε4=1.2 × 10–4,由于L1的內表面置于0.05 K 溫度下,L2 的內表面置于3 K 溫度下,故T1=0.05 K,T2=3 K,由于T1和T2溫度較低接近絕對零度,故L1 和L2 產生的紅外輻射可忽略不計.根據L3 和L4 的內表面所處的環(huán)境溫度和(12)式計算得到: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%,在理論計算自發(fā)熱輻射時可以忽略不計.通過對比發(fā)現,雖然窗口片L1 — L4 距離探測器較近,但由于其朝向探測器的發(fā)射面處于制冷環(huán)境中,其產生的自發(fā)輻射遠低于距離光敏面較遠的處于常溫環(huán)境中的L5,制冷環(huán)境抑制了光學系統(tǒng)的熱輻射,降低了紅外光學系統(tǒng)的噪聲.

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

通過對光學系統(tǒng)中鏡片的自發(fā)輻射的分析,得到了光學系統(tǒng)鏡面自發(fā)輻射與紅外探測光敏面上輻照度之間的關系,進而可以得到該紅外SNSPD光學系統(tǒng)的自發(fā)輻射模型.假設黑體源產生的紅外輻射照度為E源,則由光學系統(tǒng)的結構可知,在理想情況下,到達探測器的輻照度E黑為

根據(13)式即可得知當黑體溫度為300 K 時,黑體產生的紅外輻射經光學系統(tǒng)和4 層窗口片的輻照度為:E黑=1.42 W/m2,結合探測器光敏面的大小可知,在探測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,背景輻射在探測器上的輻通量遠小于輻射源在探測器上的輻通量,該光學系統(tǒng)理論上具有較低的自發(fā)輻射和較高的信噪比,對開展實際的實驗測量具有一定的指導意義.

2.3 實驗結果與分析

根據(1)式可知,當溫度變化ΔT時,NNETD隨著輸出電壓噪聲的均方根的增大而增大,與ΔT內電壓的變化量成反比.從提高紅外探測系統(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,即降低光學系統(tǒng)的噪聲對紅外探測系統(tǒng)的影響,同時需要提高ΔT內輸出電壓的變化量,提高探測系統(tǒng)的信噪比.對于SNSPD 而言,其光子計數能力對于定量地表征光學系統(tǒng)的噪聲特性有著獨特的優(yōu)勢.SNSPD 通過nP來表征探測目標輻射的強度,故對于SNSPD 而言,ΔT溫度變化范圍內光子計數率的變化量ΔnP即等效于半導體探測系統(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 探測系統(tǒng)的NNETD與ΔnP正相關,與BCR 的均方根σBCR負相關,同時與探測系統(tǒng)的RSNR正相關.

圖1(b)所示為本方案的紅外SNSPD 空間測量系統(tǒng)實物圖,黑體校準源出射口的直徑大小為25.4 mm.黑體產生的紅外光源經出射口到達反射鏡,再經反射鏡反射后經過透鏡聚焦,并穿過4 層窗口片后到達探測器的光敏區(qū)域.為保證光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性,從黑體源到制冷機最外層窗口之間采用25.3 mm 的同軸光學系統(tǒng).為了避免外界雜散輻射進入光學系統(tǒng),本方案采用可調節(jié)屏蔽套管來阻止外界雜散輻射的進入,從而確保nB足夠小.本方案設計并制備了一個中紅外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 超導薄膜,在超導薄膜上沉積了一層金作為SNSPD 的電極,最終經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,器件的超導臨界電流為3.2 μA.

圖2 (a) SNSPD 的SEM 觀測圖(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 的光子計數能力表征光學系統(tǒng)帶來的背景輻射,當黑體源關閉時,偏置電流固定在2.79 μA,在5 min 內觀測光子計數情況如圖3(a)所示,5 min 內探測系統(tǒng)的nB波動較小,均值為1.0×105cps,均方根σBCR為454 cps,nB和σBCR以光子數的形式定量表征了光學系統(tǒng)自發(fā)輻射所產生的背景噪聲及其抖動,結果表明該光學系統(tǒng)本征熱輻射較小,與仿真分析較為吻合.同時,如仿真結果,該系統(tǒng)接收的背景輻射功率非常低,遠小于10–10W,很難用常規(guī)的光功率計測量.因此,我們采用高靈敏度的SNSPD 對背景計數進行定量表征.為探究黑體溫度與nP的關系,保持偏置電流不變,將黑體溫度分別設置為400,500,600,700 和800 ℃,結果如圖3(b)所示.當黑體溫度為400 ℃時的PCR 的均值為2.7 × 105cps,標準差為1.2 × 103cps.當黑體溫度為800 ℃時,nP均值為3.5 × 106cps,標準差為4.4 × 103cps,400 ℃的溫差內nP的變化量ΔnP為3.2 × 106cps,nP隨著溫度的升高而大幅度增大,驗證了超導單光子探測器在光學系統(tǒng)分析領域的能力.同時為了探究當ΔT較小時,ΔnP的變化情況,將黑體溫度設置為405,505,605,705 和805 ℃,探究當ΔT為5 ℃時,ΔnP與溫度之間的關系,結果表明: ΔnP隨著溫度的升高而增大,同時可以看出,在固定的溫度下,若要提高ΔnP,首先應該提高nP.

圖3 (a) 探測系統(tǒng)的nB (200 s 內的標準差為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.

對于光子計數型探測器而言,nB越大,表明探測系統(tǒng)中的噪聲越大,因此,要想提高探測系統(tǒng)的靈敏度,就要提高探測系統(tǒng)的RSNR,一來通過提高探測系統(tǒng)的nP來提高ΔnP的值,二來是通過降低nB,減小光學系統(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,而探測器光敏面的大小遠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器的光敏區(qū)域,則需要確保探測器與黑體輻射光斑同軸,從而確保盡可能少的能量損失.SNSPD的光子計數能力能夠對空間耦合效率實現確切的數值表征.在黑體源開啟且溫度固定的情況下,SNSPD 所能探測到的光子數越多,即nP越大,表明此時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,在光學系統(tǒng)中不包含聚焦透鏡的情況下,將黑體溫度設置為100 ℃,通過微調黑體下方的光學平臺來控制光學系統(tǒng)出射口光斑的位置,探究光學系統(tǒng)出射口光斑位置與nP之間的關系.為進一步探究該系統(tǒng)的靈敏度特性,將ΔT進一步縮小為2 ℃,探究nP與黑體出射口位置之間的關系.

由于SNSPD 安裝在制冷機最內層,無法實時觀測SNSPD 與光學系統(tǒng)出射口的耦合情況,僅有窗口區(qū)域允許制冷機內部與外界進行通信.然而較低的耦合效率會帶來較大的能量損失,導致nP的降低,從而影響SNSPD 探測系統(tǒng)的NETD 性能.SNSPD 的光子分辨能力可以通過光子數定量地表征輻射源與SNSPD 的光敏區(qū)域的空間耦合的情況,通過微調光學平臺來移動光學系統(tǒng)和制冷機窗口的位置,實時觀測nP的變化,在水平面上向一固定方向平移,在2 mm 移動范圍內,如圖4(a)所示,當黑體溫度為100 ℃時,移動前nP的均值為7.6 × 104cps,移動后nP的均值為4.2 × 104cps.如圖4(b)所示,當黑體溫度為102 ℃時,移動前nP的均值為7.9 × 104cps,移動后nP的均值為4.7 × 104cps.通過對比可以得知,當溫度固定不變時,黑體源出射口在2 mm 的移動范圍內,nP的變化達到3.4 × 104cps,由此可以看出,系統(tǒng)微小的移動也會導致光子數產生較大的變化,對表征光學系統(tǒng)的表征具有較高的靈敏度.故可以推測,當nP的變化數值與σBCR相當時,此時的移動距離即為SNSPD 可分辨的系統(tǒng)最小移動距離,由于該光學系統(tǒng)的σBCR為454 cps,故經過計算SNSPD 可識別的系統(tǒng)最小移動距離為 2.74 × 10–2mm,可以實現對極其微小的抖動進行識別,因而有望應用于精密儀器的監(jiān)測領域.

圖4 (a) 100 ℃溫度下,2 mm 移動范圍內nP 的變化情況(nP1 為未移動時的光子計數率,nP2 為水平移動2 mm 后的光子計數率);(b) 102 ℃溫度下,2 mm 移動范圍內nP 的變化情況(nP3 為未移動時的光子計數率,nP4 為水平移動2 mm 后的光子計數率);(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的光子計數率,nP6 為使用聚焦透鏡時的光子計數率);(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的光子計數率,nP8 為使用聚焦透鏡時的光子計數率).圖(a)—(d)中實線對應橫坐標為各nP 對應的180 s 內的均值,τ 為對應的標準差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遠大于探測器光敏面的大小,所以即使通過微調光學系統(tǒng)出射口與制冷機窗口的相對位置使光源與SNSPD 的光敏面同軸,也會存在大量紅外輻射傳播至探測器光敏面之外的位置,導致大量的能量損失.為降低能量損失,使更多的紅外輻射到達探測器光敏面,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器光敏區(qū)域,從而提高nP.如圖1(a)所示,黑體源產生的紅外輻射經反射鏡傳播至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內探測器位置的距離為38.3 cm.首先利用光功率計在制冷機最外層窗口處對紅外輻射進行了測量,黑體溫度固定在100 ℃時,功率計10 mm × 10 mm的感光區(qū)域內接收到的輻射光功率為0.172 mW,根據光功率與光子數之間的關系,通過計算可以得知此時的光子數為2.59 × 1015個,則此時經過4 層窗口片后到達探測器光敏面的光子數為6.90 ×108個.當在制冷機最外層增加一片焦距為150 mm的聚焦透鏡時,到達探測器光敏面的光子數應為7.18 × 109個,通過理論計算得知,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.因此本實驗中選用在紅外波段具有高透光率的氟化鋇聚焦透鏡,加入到該測量系統(tǒng)當中,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,在10 min 內觀察nP的情況.通過圖4(c)可以看出,當黑體溫度為100 ℃時且未對黑體光斑聚焦時,nP的均值為7.6 × 104cps,而當加入聚焦透鏡后,nP的均值為1.5 ×105cps,通過加入聚焦透鏡前后光子數的對比可以得知,耦合效率提升了大約97%.如圖4(d)所示,當黑體溫度為102 ℃時且未對黑體光斑聚焦時,nP的均值為7.9 × 104cps,而當加入聚焦透鏡后,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,實驗結果與仿真計算結果呈現出較高的吻合度.對比圖4(c)與圖4(d)可知,2 ℃的溫差范圍內ΔnP的數值提升了1.6 × 104cps.通過設計的光學系統(tǒng),將信噪比提升了2.7 倍,并且對聚焦透鏡給光學系統(tǒng)帶來的影響進行了光子級別的表征.

為提升測量系統(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,利用兩端長度可調節(jié)套管將其構成三明治結構,其中上層套管有兩個作用,一來用于調節(jié)焦距,二來根據焦距調節(jié)聚焦透鏡到制冷機窗口之間的長度,下層套管負責調節(jié)焦距和根據焦距調節(jié)聚焦透鏡到反射鏡的距離,從而確保光學系統(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,制冷機內部設計也能大大降低nB,可以通過在探測器前端增加一個效率為100%的冷闌,只允許探測目標的輻射通過該冷闌.還可以通過在制冷機最內層結構的內壁涂敷黑色金屬圖層,降低制冷機內部雜散輻射的干擾.

3 結論

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