摘要：高灵敏度的红外探测系统对于远距离探测有巨大的潜力,但光学系统内部的噪声会抑制探测系统的信噪比,从而降低探测灵敏度与探测距离.本文基于红外超导纳米线单光子探测器,设计了一个工作在中红外波段的光学系统,构建了红外光学系统自发辐射计算模型,理论分析了红外光学系统的信噪比和噪声特性.首次提出了利用高性能超导单光子探测器精确表征红外光学系统的微弱背景辐射光信号,为优化设计红外系统提供了依据.并且基于超导单光子探测器的光子计数能力,研究了光学系统的背景辐射对红外探测系统性能的影响,并优化了光学系统的性能.实验结果表明,超导单光子探测器对于分析红外光学系统具有较高的灵敏度,最小可分辨移动距离为2.74×10^(-2)mm,在黑体温度为100℃时,光子计数率提高了6.4×10^(4)cps(1 cps=1 cycle per second),光学系统的耦合效率提升了97%;在黑体温度为102℃时,光子计数率提高了9.1×10^(4)cps,光学系统的耦合效率提升了114%,降低了杂散辐射对探测系统的影响,同等条件下系统信噪比提升2.7倍,对于超导红外探测系统的应用研究具有重要意义.

摘要：高性能的中长波单光子探测器在红外天文和军事国防领域具有重要的研究价值,也是单光子探测技术领域的研究难点.超导纳米线单光子探测器在近红外波段已经展示出优异的性能,但如何进一步提高器件的探测截止波长λ_(c)是一个受到广泛关注的话题.本文探讨了一种通过超导无序调控辅助提高λ_(c)的方法,设计并制备出工作波段为5-10μm的超导单光子探测器.理论分析表明,增大衡量无序强度的主要评价因子即薄膜方块电阻R_(s),将有利于增大λ_(c),如当纳米线宽保持在30 nm且R_(s)>380Ω/square时,可使得λ_(c)>10μm.实验测得R_(s)约为320Ω/square的Mo_(0.8)Si_(0.2)红外器件在6μm波长上可以获得完全饱和的量子效率.此外,当器件工作在0.9I_(SW)(I_(SW)为纳米线超导转变电流)的偏置电流下时,在10.2μm波长上的量子效率达到53%.

摘要：超导纳米线单光子探测器(SNSPD)是综合性能最优异的新型单光子探测器之一,而传统的单像元SNSPD不具备空间分辨力,且光敏面小,光学耦合效率存在瓶颈,因此,研制大面积阵列器件是自由空间光子探测等应用的关键.然而,由于器件光敏面由大量超导纳米线组成,研发大面积的阵列SNSPD面临工艺复杂、成品率低、制备困难等问题.本文设计了一种超大面积纳米线阵列结构,利用电子束抗蚀剂氢倍半硅氧烷(HSQ)曝光后可形成氧化硅电学隔离层的特点,仅使用简化二维工艺即可完成大阵列SNSPD的制备,对多层结构的传统立体工艺实现了降维.器件经过行方向并联测量,未发现坏点,成品率高,且实现了基础的成像功能验证.此外,本设计中采用了全超导电极以减少电阻热效应,并在像元内增设了串并联电阻,从而均分偏置电流,同时能够可选地扩展阵列规模.本工作为超大型阵列SNSPD的设计与制备提供了一种思路,并有望应用于百万像素阵列SNSPD的制备,与高效读出电路结合实现兼备大视场和高灵敏度的焦平面光子探测与成像系统.

摘要：针对太赫兹超导探测器的测试需求,开发了可用于低温环境的太赫兹标准黑体辐射源.采用太赫兹时域光谱系统,提取了伯克利黑体材料的介电常数,并测试了它的反射系数.另外,设计了圆锥形结构的黑体辐射源,仿真结果表明它具有较低的反射率.在此基础上,制备了装载于稀释制冷机中的黑体辐射源,通过控制温度实现对黑体源辐射功率的调谐.这一黑体辐射源能够满足太赫兹超导探测器的定标需求,并将有助于高灵敏太赫兹辐射计的开发和应用.

摘要：提出了一种基于太赫兹(terahertz,THz)类电磁诱导透明(electromagnetically induced transpanrency like,EIT-like)效应的样品阱超材料传感器.传感器基础单元结构由一根金属线和一对开口谐振环(split ring resonators,SRRs)组成,二者耦合产生类EIT效应,在1.067 THz处得到一个半高全宽为178 GHz的透明峰,透明峰最大透过率为89.71%.其传感单位体积灵敏度为178 GHz/(RIU·mm^(3)),进一步分析该超材料谐振频点处的电场分布,发现两侧SRRs的开口处电场最强.我们设计构建样品阱仅在开口最强电场处,以光刻胶为待测物填入样品阱,并成功测得50 GHz频偏,验证样品阱结构可以运用于传感中.经研究分析,样品阱结构成功将样本量缩减至超微量级别,单位体积灵敏度提升至5538 GHz/(RIU·mm^(3)),提高了31倍.该样品阱成功实现对水、人皮肤和大鼠皮肤样本的鉴别,表明了构建样品阱在THz超材料超微量检测领域具有潜在的应用价值.

摘要：利用磁控溅射、电子束光刻和反应离子刻蚀等微加工技术,开展了超导纳米线单光子探测器(SNSPD)的研究.通过对SNSPD的设计和制备工艺参数的优化,成功制备出了高质量的SNSPD.单光子检测实验表明,制备的SNSPD对660nm波长的光信号,系统检测效率可达30%,对1550nm波长光信号,最大系统检测效率为4.2%.在平均暗计数小于10c/s的情况下,系统检测效率大于20%(660nm)和3%(1550nm).

摘要：太赫兹成像在生物医学领域的应用潜力非常大,针对这个需求,本文设计并搭建了一种利用光整流和波前倾斜技术产生强场太赫兹信号以及基于电光探测的实时太赫兹(terahertz,THz)近场光谱成像系统.该系统可以进行大视场THz成像和紧聚焦THz成像的切换使用,为实现系统集成化应用提供了方法.并且由于成像是基于传统的太赫兹时域光谱方法,可以同时获得样品图像光谱幅度和相位信息,光谱分辨率约15 GHz.利用该系统测量研究了一系列微纳加工的样品,对成像系统的性能进行了分析.结果表明,该实时太赫兹近场光谱成像系统在空间分辨率和成像速度上的优越性,在1024×512的像素下,实时成像帧率高达20 f/s(1200张/min).在大视场THz成像下,空间最优分辨率在1.5 THz达λ/4;在紧聚焦THz成像下,空间最优分辨率在0.82 THz达λ/12,这些性能使该系统在生物医学成像、生物效应等方面具有很好的应用场景.

摘要：在小型脉冲管制冷机(工作温度约60K)上搭建了高温超导约瑟夫森结太赫兹谐波混频系统,并采取了一系列措施增强结与太赫兹波的耦合。所采取的措施主要有:研究不同基片对结的影响并最终选择MgO做为双晶结基片,设计平面周期对数天线,同时使用一个超半球硅透镜和两个离轴抛物面反射镜组成准光学系统。最终成功在小型脉冲管制冷机中获得结对623GHz太赫兹波的响应,并且成功进行24次谐波混频实验。

摘要：超导纳米线三端子器件采用特征尺寸为几纳米厚、百纳米左右宽的超导纳米线作为基础单元,结合几何结构设计和局域电热过程,触发超导相变,从而实现具备数字逻辑、脉冲放大、电流测量、存储等功能的器件和电路。本文从基本原理出发,介绍了三种超导纳米线三端子器件,概述了近几年该方向的研究和进展。最后从应用角度出发,简要讨论了超导纳米线三端子器件面临的一些挑战,为后续相关研究工作的开展提供思路。

摘要：人工电磁超材料展现了强大的电磁波调控能力.随着可编程超材料的提出,超材料向数字化、智能化的方向不断发展.本文首先回顾了太赫兹可编程超材料的研究进展,重点讨论基于半导体、液晶等可调材料的太赫兹可编程超材料的设计方法、调控原理及应用.然后,介绍了太赫兹可编程超材料在单像素成像中的应用,即利用电控和光控可编程超材料实现太赫兹光的空间编码调制,结合压缩感知等成像算法,实现太赫兹单像素成像.最后,对太赫兹可编程超材料的发展趋势和应用前景进行了展望.