一种单光子焦平面探测效率测试装置及方法与流程

本发明属于测试领域，具体涉及一种单光子焦平面探测效率测试装置及方法。

背景技术：

1、当前，单光子焦平面的应用主要在激光主动三维成像、自由空间光通信、远程测距等领域，其中又以在激光主动三维成像中的使用最为典型。单光子焦平面性能表征参数主要有暗计数、探测效率及标准差、后脉冲概率、时间分辨率及串扰等。探测效率作为单光子焦平面的核心参数，当前的测试方案是将短脉冲激光源衰减后经光束整形形成大尺寸光束准单光子源，对准单光子源强度校准后入射单光子焦平面计算得出探测效率值。准单光子源强度通过标准功率计对短脉冲激光源的初始强度和衰减器衰减倍数分别标定后间接计算得出，探测效率的测量精度主要由标准功率计的测量准确度及线性决定，其中，标准功率计的测量准确度由溯源链路决定，所以这是一种需要向更高一级标准进行溯源的测试方法，探测效率测量准确度通常在5％以上。

2、随着量子信息技术的发展，单光子焦平面的应用对单光子焦平面各性能参数高准确度的需求越来越明显，尤其核心参数探测效率的测量基于传统的激光衰减测量方案，溯源过程中的逐级累积误差使得测量准确度无法进一步提高。

3、目前，单光子焦平面探测效率的主流测试方案是将短脉冲激光源衰减至单光子量级，通过线性响应优异的标准功率计标定短脉冲激光源输出功率和大动态范围的衰减倍数来间接计算得到出射光子强度，这种方案的优点是：不管光源、光衰减器还是光功率计均有较多选择，不同类型的产品进行搭配后即可组建一套测试系统，组成原理简单，可操作性较强，但缺点也很明显：通过对短脉冲激光光源进行大动态范围衰减产生准单光子源，由于单光子水平的光功率极其微弱，需要对多个衰减器单独进行测量后再串联使用，短脉冲激光光源的强度、多个衰减器的衰减值均通过标准功率计来测量，较多的测量环节导致测量误差不断累积，所以测量准确度有限且很难进一步提高，该方案总体上在测试准确度等方面已经不能满足日益严苛的测试需求。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述技术问题，本发明提出了一种单光子焦平面探测效率测试装置及方法，设计合理，克服了现有技术的不足，具有良好的效果。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种单光子焦平面探测效率测试装置，包括短脉冲激光源、衰减器、周期极化晶体、分光单元、第一光学滤波单元、第二光学滤波单元、触发单光子探测器、待校单光子探测器、符合测量仪器、信号源及测量光路透过率的激光源和反射镜；

4、短脉冲激光源、衰减器、周期极化晶体、分光单元、第一光学滤波单元、待校单光子探测器、符合测量仪器通过线路依次连接；短脉冲激光源、衰减器、周期极化晶体、分光单元、第二光学滤波单元、触发单光子探测器、符合测量仪器通过线路依次连接；信号源分别与触发单光子探测器、待校单光子探测器、短脉冲激光源通过线路连接；

5、短脉冲激光源，被配置为用于泵浦周期极化晶体产生相关光子；

6、衰减器，被配置为用于对短脉冲激光源输出强度进行调节；

7、周期极化晶体，被配置为用于作为产生相关光子源的媒介；

8、分光单元，被配置为用于将相关光子对在空间上进行分离，并对泵浦光进行初步滤波；

9、光学滤波单元，被配置为用于将包括泵浦光在内的非相关光子进行滤波；

10、触发单光子探测器、待校单光子探测器，被配置为用于分别接收两路相关光子，并将计数信号接入符合测量仪器用于符合计数；

11、符合测量仪器，被配置为用于记录两单光子探测器两路光子计数信号并进行符合测量；

12、信号源，被配置为用于同步触发短脉冲光源、触发单光子探测器、待测待校单光子探测器，并调整三路触发信号之间的时延，使其同步工作；

13、激光源、反射镜，被配置为用于测量待校单光子探测器所在光学通道透过率。

14、优选地，周期极化晶体的极化周期根据泵浦波长和相关光子波长进行设计，周期极化晶体集成了温控单元，能够改变周期极化晶体的工作温度，能够将相关光子的光谱在一定光谱范围内向短波或长波移动。

15、此外，本发明还提到一种单光子焦平面探测效率测试方法，该方法采用如上所述的一种单光子焦平面探测效率测试装置，具体包括如下步骤：

16、步骤1：短脉冲激光源经衰减器后泵浦周期极化晶体产生相关光子，进入分光单元；

17、步骤2：分光单元将相关光子分为两路，并对短脉冲激光源产生的泵浦光进行初步滤波；

18、步骤3：周期极化晶体产生相关的两路相关光子，一路入射触发触发单光子探测器，一路入射待校单光子探测器；具体为：

19、两路相关光子的一路进入第一光学滤波单元，经第一光学滤波单元进一步对泵浦光进行滤除并使相关光子入射至待校单光子探测器；另一路进入第二光学滤波单元，经第二光学滤波单元进一步对泵浦光进行滤除并使相关光子入射至触发单光子探测器；

20、步骤4：若两探测器工作于盖革门控模式，通过信号源触发信号实现短脉冲激光源、待校单光子探测器、触发单光子探测器的同步工作，使待校单光子探测器和触发单光子探测器的计数值最大，待校单光子探测器和触发单光子探测器的探测计数信号进入符合测量仪器，通过分析两路计数信号的符合测量直方图，得出符合计数值，同时记录触发单光子探测器的计数值，结合待校单光子探测器所在光学通道透过率，计算得出待校单光子探测器的探测效率；

21、步骤5：待校单光子探测器的探测效率已知后，结合待校单光子探测器的后脉冲概率和死时间参数，计算得出入射待校单光子探测器的光子通量；

22、步骤6：将待校单光子探测器移出光路，切换被测单光子焦平面放置于光路中，调整被测单光子焦平面的位置，使入射光斑全部入射被测单光子焦平面，计算得出单光子焦平面的探测效率值。

23、本发明所带来的有益技术效果：

24、本发明利用相关光子源对单元单光子探测效率进行校准后，结合后脉冲概率参数修正等可得到入射光子通量，已知入射光子通量后计算得出被测单光子焦平面的探测效率值；本发明方案是基于相关光子源加符合测量仪器组成一套测试系统，不同于传统的测试思路，该方案是一种基准式测量方案，测量精度相较传统方案测量准确度更高，不需要溯源至更高一级的计量标准。

技术特征：

1.一种单光子焦平面探测效率测试装置，其特征在于，包括短脉冲激光源、衰减器、周期极化晶体、分光单元、第一光学滤波单元、第二光学滤波单元、触发单光子探测器、待校单光子探测器、符合测量仪器、信号源及测量光路透过率的激光源和反射镜；

2.根据权利要求1所述的单光子焦平面探测效率测试装置，其特征在于，周期极化晶体的极化周期根据泵浦波长和相关光子波长进行设计，周期极化晶体集成了温控单元，能够改变周期极化晶体的工作温度，能够将相关光子的光谱在一定光谱范围内向短波或长波移动。

3.一种单光子焦平面探测效率测试方法，其特征在于，采用如权利要求1所述的一种单光子焦平面探测效率测试装置，具体包括如下步骤：

技术总结本发明公开了一种单光子焦平面探测效率测试装置及方法，属于测试领域。本发明装置包括短脉冲激光源、衰减器、周期极化晶体、分光单元、第一光学滤波单元、第二光学滤波单元、触发单光子探测器、待校单光子探测器、符合测量仪器、信号源及测量光路透过率的激光源和反射镜。本发明利用相关光子源对单元单光子探测效率进行校准后，结合后脉冲概率参数修正等可得到入射光子通量，已知入射光子通量后计算得出被测单光子焦平面的探测效率值；本发明方案是基于相关光子源加符合测量仪器组成一套测试系统，不同于传统的测试思路，该方案是一种基准式测量方案，测量精度相较传统方案测量准确度更高，不需要溯源至更高一级的计量标准。技术研发人员：刘长明,沈荣仁,庄新港,张鹏举,刘红波,尚福洲受保护的技术使用者：中国电子科技集团公司第四十一研究所技术研发日：技术公布日：2024/11/18