纠缠光子对探测系统

量子纠缠是量子信息中的核心资源，它已经广泛应用到量子测量、量子通信以及量子计算领域。纠缠态的产生、发展和创新极大地推动了第二次量子革命的发展。随着量子信息技术的发展，多模、大尺度的连续变量量子态成为研究的发展方向，以满足大容量量子通信、分布式及多参数、容错量子计算的需求。为了满足量子计算需求和构建量子网络，需要获得大尺度纠缠态。目前，研究人员基于光场时间、空间或频率结构模式，制备出了可观数目的光场纠缠，并已经实现了单自由度复用的连续变量量子通信，展现了增强信道容量的前景。而进一步扩展纠缠数目，需要对多个自由度的同时调控技术，构建连续变量高维纠缠光场。为解决上述问题，山西大学量子光学与光量子器件国家重点实验室的郜江瑞团队通过色散、像散补偿技术和多模参量控制技术，实现了光学参量振荡器中多自由度光场的共振输出，获得了同时具有频率梳、自旋和轨道角动量纠缠的连续变量高维纠缠。并基于其中产生的高维纠缠态，演示了空间-频率复用的量子密集编码协议。相关研究成果发表于Photonics Research 2022年第12期。如图所示，通过光学参量下转换过程产生的纠缠光子对具有多个物理自由度。关联光子A，B具有对称“能级”，相反的轨道角动量和相互垂直的偏振。在实验中，量子关联的测量通过可独立选择的一对参考光场，在平衡零拍探测系统中提取。图（a）参量下转换过程纠缠光子三自由度示意图；(b)多模光学参量谐振器同时输出多个“能级”的三自由度纠缠；(c) 实验验证装置；(d) 完整的第一“能级”纠缠关系测量（左图）及其在复用量子密集编码的演示（右图）实验结果表明，光学参量谐振器直接输出了携带频率梳，自旋角动量和轨道角动量的三自由度高维纠缠，达到-3.3 dB的纠缠水平。值得一提的是，该谐振器有能力直接输出约2000个“能级”共计8000对的量子纠缠。为探究多自由度高维纠缠资源在量子信息的潜能，团队首次实验演示了空间-频率复用的量子密集编码，图（d）展示了量子通信信道容量的显著增强。刘奎教授表示：“相比于传统的连续变量纠缠产生方案，多自由度、多模光学参量谐振器产生的纠缠光源具有更高可扩展性，更丰富光场结构的特点，不但适合高信道容量量子通信需求，而且可用于实现特别的量子任务，例如量子多参数测量，多自由量子界面和混合型的高维量子离物传态等。”目前对于连续变量高维纠缠的研究还有许多开放性问题值得研究，如是否具有与分离变量高维纠缠类似的纠缠特性，更高的安全性，和更强的抗噪能力等。团队后续将进一步开展更高纠缠水平、更多元的纠缠数量以及多自由度分离及交互的研究，同时开展基于连续变量高维纠缠的应用研究，如高维量子离物传态以及其在量子传感和量子测量领域的应用。

近日，中国科学院上海微系统所李浩、尤立星团队等研制出基于小型液氦杜瓦（工作温度4.2K）、在1550nm波段系统探测效率超过70%的移动式超导单光子探测系统，为未来开展基于移动平台（机载、车载等）的高性能单光子探应用铺平了道路。相关研究成果以《在1550nm波段探测效率超过70%的移动式超导条带光子探测系统》（Mobile superconducting strip photon detection system with efficiency over 70% at a 1550 nm wavelength）为题，发表在《光学快报》（Optics Express）上。超导条带光子探测器（SSPD，Superconducting strip photon detector）作为高性能的单光子探测器，广泛应用于量子信息和弱光探测等领域，推动了相关领域的科技进步。然而，SSPD的综合探测性能依赖于器件的工作温度（温度越低，系统探测效率越高）。迄今为止，高效率的SSPD系统通常需要使用GM制冷机（T≤2.5 K）、吸附式制冷机（T≤0.85 K）甚至更低温度的制冷机。这些系统的质量、体积、功耗等成为限制SSPD在机载等移动平台应用的关键原因。若能在4.2K工作温度实现高效率SSPD，便可利用小型液氦杜瓦构建小型、低功耗、短时工作的超导单光子探测系统，为无人机、航空等移动平台应用提供可行的解决方案。SSPD的光响应性能与超导薄膜材料的无序度密切相关。利用高无序超导薄膜材料调控技术实现面电阻更高的超导薄膜材料，增强SSPD的探测灵敏度是提升SSPD工作温度的方法之一。本研究利用面电阻超过600Ω的NbTiN超导薄膜材料实现了4.2K工作温度近饱和探测效率的SSPD。同时，该工作研发制造了SSPD专用的小型液氦杜瓦，结合基于电池的低功耗电路模块，实现了探测效率超过70%的移动式单光子探测系统。研究工作得到国家自然科学基金和上海市“扬帆计划”等的支持。（左）液氦杜瓦的系统图；（右）移动式SSPD系统探测效率和暗计数性能曲线

加拿大物理学家们首次利用量子力学克服了测量科学中的一个重大挑战。新开发的多探测器方法可测量出纠缠态的光子，实验装置使用光纤带收集光子并将其发送到由11个探测器组成的阵列。此项研究为使用量子纠缠态开发下一代超精密测量技术铺平了道路。 　　研究报告主要作者之一、多伦多大学物理系量子光学研究小组博士生罗泽马· 李称，新技术能利用光子以经典物理学无法达到的精度进行测量。此项研究成果在线发表在《物理评论快报》上。 　　现存最灵敏的测量技术，从超精确原子钟到世界上最大的望远镜，均依赖于检测波之间的干涉，这种干涉发生于两个或更多个光束在相同空间的碰撞。罗泽马及其同事使用的量子纠缠态包含N个光子，它们在干涉仪中均被保证采取同样的路径，即N个光子要么全部采取左手路径，要么全部采用右手路径。 　　干涉效应可用干涉仪进行测量。干涉装置的测量精度可通过发送更多的光子加以改善。当使用经典光束时，光子数目(光的强度)增加100倍，干涉仪的测量精度可提高10倍，但是，如果将光子预先设置在一个量子纠缠态，干涉仪在同等条件下的测量精度则同步增长100倍。 　　科学界虽已了解到测量精度可通过使用纠缠光子加以改善，但随着纠缠光子数的上升，所有的光子同时到达相同检测器的可能性微乎其微，因此该技术在实践中几无用处。罗泽马及其同事于是开发出一种使用多个探测器来测量纠缠态光子的新方法。他们设计了一种使用&ldquo 光纤带&rdquo 的实验装置，用以收集光子并将其发送到11个单光子探测器组成的阵列。 　　这使研究人员能够捕捉到几乎所有最初发送的多光子。罗泽马称，同时将单光子以及两个、三个和四个纠缠光子送入检测设备，测量精度可得到显著提高。 　　研究人员表示，两个光子好于一个光子，探测器阵列的效果则远远好于两个。随着技术的进步，采用高效探测器阵列和按需纠缠的光子源，此项技术可被用于以更高精度测量更多的光子。《物理评论快报》的评论指出，该项技术为提高成像和光刻系统的精度提供了一种行之有效的新途径。

当矿难发生时，被困井下的矿工可在断电情况下，利用安装在矿井内的光纤音频传感器直接向地面呼救 或者也可敲击身边的光缆，使地面救援人员及时了解自已所处的位置。日前，世界首创的煤矿光纤呼救探测系统以及矿用应急救援车、隔绝式压缩氧自救器、矿用光纤应急通讯系统等9种新型矿用安全救援产品，在辽宁营口国家高新区正式亮相。 　　这些矿用安全救援新产品是由我国首家提出&ldquo 大救援体系&rdquo 解决方案的辽宁卓异科技集团自主研发的。卓异集团是我国矿山安全应急救援领域的领军企业，此前已成功研制出矿用移动式安全救生舱，并保持了矿用救援技术的持续领先。此次推出的矿用应急救援车、防爆指挥车、隔绝式压缩氧自救器、多参数环境监测仪、煤矿光纤呼救探测系统、尾矿库在线监测系统、红外甲烷监测仪、甲烷痕量气体浓度监测仪、矿用红外热像仪，将与矿用救生舱、避难硐室等矿用救难设备共同构建&ldquo 大救援体系&rdquo 。 　　卓异集团董事长付超介绍，矿用应急救援车作为井下避难硐室地面钻孔的主题救援设备，除完成救援任务外，还可作为救援分站与井下避难硐室、救援指挥中心组成完善的救援保障体系。当矿难发生时，应急救援车不仅可以为无法安全撤至地面而进入避难硐室的遇险人员提供基本生存条件，还能为地面救援人员提供指挥通讯、医疗救助等设施，可大大提高井下被困人员的生存率和矿难事故的救援率。而利用光纤传感技术的煤矿光纤呼救探测系统，则实现了井下发生矿难时，在完全无电的情况下，遇险人员的紧急呼叫、传感探测，使地面指挥部能够了解井下状态，及时制定出有效的救援措施。

【科学背景】随着信息技术的飞速发展，人类对于更安全、更高效的通信方式的需求日益增长。其中，量子信息科学的崛起引起了广泛关注。量子信息科学利用量子力学中的特性，如纠缠和叠加，来实现更安全和更快速的信息处理和通信方式。量子互联网作为量子信息科学的一个重要分支，旨在构建一个基于量子力学原理的全新互联网架构，以实现更加安全、更加高效的通信。在传统互联网中，信息是通过经典比特（0和1）进行传输和存储的。然而，在量子互联网中，信息以量子比特（qubit）的形式传输，这些量子比特可以同时处于0和1的叠加态，并且可以通过纠缠相互关联。这种非经典特性使得量子互联网具有独特的优势，如量子密钥分发、分布式量子计算和增强的传感等。然而，要实现量子互联网还存在一些挑战。其中之一是如何在大规模、多节点的情况下建立稳定的量子纠缠。以往的研究多集中在实验室规模的两节点系统上，缺乏对于多节点系统的研究和验证。另一个挑战是光子在光纤传输中的损耗问题，特别是在长距离传输时，光子的损失会大大降低量子通信的效率和可靠性。为了解决这些问题，中国科学技术大学的包小辉&潘建伟院士团队提出了一种基于原子集合的量子存储器和光子服务器的量子网络架构，并利用量子频率转换技术来减少光子在光纤中的传输损耗。通过这些创新，他们成功地建立了一个大都市规模的多节点量子网络，实现了远距离量子纠缠的生成和存储，并且能够同时在多条链路上执行纠缠生成。【科学图文】为了实现未来的量子互联网，研究人员进行了一项关于建立大都市区域的多节点量子网络的研究。他们在图1中展示了该网络的布局和实验设置。图a展示了一个广阔复杂的量子网络的设想架构，包括了许多高连接性的大都市区域网络，这些网络通过量子中继器通道相互连接。该网络由三个量子节点（Alice、Bob和Charlie）和一个服务器节点组成，形成了星形拓扑结构。这些节点被放置在合肥市内，形成一个三角形，节点之间的距离为7.9公里到12.5公里。在实验中，每个量子节点都配备了一个原子集合量子存储器，用于生成原子-光子纠缠。图b展示了量子节点的方案，包括了量子存储器、光子服务器以及用于纠缠生成的装置。图c展示了服务器节点的方案，其中包括了光子干涉仪和超导纳米线单光子探测器等组件。图d展示了该研究中使用的多节点量子网络的布局，以及各节点之间的光纤连接。通过这些布局和实验设置，研究人员成功地实现了远距离量子节点之间的纠缠生成，并且纠缠存储时间超过了往返通信时间。此外，他们还展示了对所有三条网络链路的远程纠缠生成，并同时执行了这些操作。这项研究为评估和探索多节点量子网络协议提供了大都市规模的试验平台，标志着量子互联网研究的重要进展。图1：网络布局和实验设置。研究人员为了解决量子网络中的相位稳定性和频率漂移问题，开发了一种基于弱场远程相位稳定方法的网络架构，并通过实验验证了其有效性。图2展示了该相位稳定化方法的方案和实验结果。在图2a中，研究人员利用弱场相位探测脉冲和光子计数在纠缠生成设施中检测相位差Δφ，并通过反馈立即进行补偿。实验结果显示，经过相位稳定化处理后，两节点之间的相位分布得到了显著改善，可观察到正弦振荡的干涉可见度。图2b展示了相位稳定化的特征，通过发送额外的相位探测脉冲和光子计数，成功实现了相位分布的高斯化。此外，图2c显示了在不同频率差条件下的干涉可见度，证明了频率漂移的补偿效果。这些研究结果对于量子网络的发展具有重要意义。相位稳定化方法和频率漂移的补偿可以确保在量子节点之间建立稳定的纠缠链接，为量子通信和量子计算等应用提供了可靠的基础。图2. 弱场相位和频率稳定。接下来，研究人员在图3中验证了通过弱场方法在远距离节点之间生成的纠缠。在图3a中，他们展示了用于验证远程纠缠的实验设置。通过与额外的弱纠缠探测脉冲的结合，他们成功地检测到了远程纠缠的存在。在图3c和d中，他们展示了读出场和原子态之间的密度矩阵，证明了远程纠缠的存在，并通过保真度的计算确定了其有效性。值得注意的是，他们在两个实验中均取得了成功，一次是在5微秒的存储时间内，另一次是在107微秒的存储时间内。这表明，他们的方法不仅能够实现远程纠缠的生成，还能够在较长时间内保持纠缠的稳定性。图3. 一对遥远节点之间的纠缠。研究者在图4中展示了网络中的并发纠缠生成。他们的目标是同时在网络的不同节点之间建立纠缠，从而实现量子通信的潜力。在图中，研究者通过量子随机数生成器动态切换用户对，并使用多输入-双输出光开关来实现并发纠缠。实验结果显示，当改变Charlie节点的相位时，Alice-Bob、Alice-Charlie和Bob-Charlie三个链路上的纠缠度表现出了明显的正弦振荡，这表明了成功的纠缠生成。在另一方面，当测量PM态时，结果显示了与理论相关的高度相关性。这项工作的重要性在于，它为量子通信和量子网络的发展提供了实验上的验证，为未来的量子通信系统的设计和实施提供了关键见解。图4. 网络中并发纠缠的产生。【科学结论】本文展示了一种可行的都市区域纠缠量子网络的实现，并解决了该网络面临的技术挑战。通过成功实现远程纠缠的生成和存储，以及在网络内同时生成多个纠缠对，作者为量子通信和量子信息处理领域提供了重要的突破。其中，采用的单光子方案为网络的高纠缠速率提供了基础，远程相位稳定化和弱场方法则解决了单光子方案中的关键技术问题。这些方法不仅在实验中取得了成功，而且为未来构建更大规模、更复杂拓扑结构的量子网络提供了可靠的技术支持。此外，文章还指出了进一步提高网络性能的路径，如将波长转移到通信C波段、利用Rydberg阻塞机制抑制不需要的高阶原子激发、实现更好的纠缠验证以及延长纠缠存储时间等。这些科学启迪为未来量子网络的发展指明了方向，有望促进量子信息技术的应用和进步，推动量子通信的实用化和商业化进程。原文详情：Liu, JL., Luo, XY., Yu, Y. et al. Creation of memory–memory entanglement in a metropolitan quantum network. Nature 629, 579–585 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07308-0

近日，中国科学技术大学物理学院郭光灿院士团队在中红外波段量子纠缠的制备与表征研究中取得重要研究进展。该团队史保森教授、周志远副教授及其合作者首次制备了3微米中红外波段时间-能量纠缠光子对并演示了双光子Hong-Ou-Mandel干涉。该成果以“Quantumentanglementandinterferenceat3μm”为题于3月6日在线发表在国际知名学术期刊《Science Advances》上。光量子信息技术的发展离不开量子光场的产生、调控与探测。尽管近红外波段（0.7um∽2.5um）相关技术的发展已相对成熟，但鲜有其它波段非经典光子对/单光子制备、调控和探测的工作报道。近年来，科研工作者开始逐步探索量子信息在中红外光谱领域应用的理论和实验研究，发现中红外非经典光子源与传统通信、成像和传感技术相结合，可以产生新的通信技术和探测、感知手段，这是因为：1.中红外波段覆盖了几乎所有物质分子的振动光谱，具有分子的“指纹”特征，可用于物质成分鉴定和分析；2.中红外波段包涵多个重要的大气通信传输窗口，适合远距离自由空间光通信和遥感探测；3.温度为115K∽1150K的黑体辐射中心波长在中红外波段，这为物体探测提供了一种有效的热成像手段。该研究工作是中红外光子纠缠制备的第一个工作，对该领域的发展具有重要影响。通过选择合适的非线性晶体及其参数，结合非线性上转换探测技术，原则上可以制备和表征任意波长的中红外纠缠光子对。由于中红外光谱具有分子的“指纹”特征、包含大气层的低损传输窗口以及与物体的热辐射光谱重叠，因此可以预期中红外非经典光子源与传统通信、成像和传感技术的结合一定会为人们认知世界提供新技术和新方法，为量子信息技术的发展带来新机遇。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、安徽省和电磁空间安全国家重点实验室开放基金的资助。

近日，国际学术期刊《Deep-Sea Research Part I: Oceanographic Research Papers》在线发表了题为“Development and deployment of lander-based multi-channel Raman spectroscopy for in-situ long-term experiments in extreme deep-sea environment”的文章，报道了中国科学院海洋研究所成功研制国际首套多通道深海拉曼光谱探测系统，实现了冷泉喷口流体、天然气水合物动力学过程、冷泉生物群落的长期原位观测与现场实验，在我国南海冷泉区域构建首套深海原位光谱实验室。 　　研究团队前期研发的探针式深海激光拉曼光谱探测系统已常态化应用到深海沉积物孔隙水、冷泉和热液喷口流体、化能合成生物群落内部流体、天然气水合物以及冷泉和热液喷口系统附近岩石矿物的原位探测与定量分析。但是，随着对深海热液和冷泉系统研究的深入，科学家逐渐认识到深海热液或冷泉系统是有机统一的整体，冷泉和热液活动在时间和空间上都具有强烈的不均匀性。已有的深海原位拉曼光谱仪的探测是短期瞬时且相对独立的，难以捕捉冷泉和热液系统等高动态和非均匀环境中不同目标之间的动态规律和潜在联系。 　　为此，研究团队研制了国际上首套深海多通道拉曼光谱探测系统（Multi-channel Raman insertion probes system, Multi-RiPs），研发光路切换技术，实现了主要光学器件（如激光器、光谱仪、光电传感器等）的分时复用（如图1所示），结合系列化拉曼光谱探针，实现了深海热液、冷泉系统中流体、固体、气体等不同相态目标物的长期原位监测。 图1 多通道拉曼光谱探测系统关键光学器件布局图和光路切换原理示意图 　　为了明确甲烷在深海冷泉喷口附近的转换通道以及冷泉区域的甲烷释放通量，研究团队使用深海多通道拉曼光谱探测系统搭载深海坐底长期观测系统（Long-term ocean observation platform, LOOP）于2020年、2021年、2022年前后3次布放于我国南海北部的台西南冷泉区域（如图2所示），实现了冷泉喷口流体中主要成分、天然气水合物与深海环境的耦合变化过程、冷泉生物群落内部甲烷氧化过程的长期原位探测与现场实验，成功建设国际首套深海原位光谱实验室，并常态化运行。 图2 Mulit-RiPs搭载LOOP连续三年（a：2020年；b：2021年；c：2022年）布放于我国台西南冷泉区域对深海原位实验进行探测与分析 　　论文第一作者为海洋所副研究员杜增丰，通讯作者为海洋所研究员张鑫。研究得到了国家自然科学基金、山东省自然科学基金、中国科学院战略性先导专项等项目联合资助。

图片来源：阿尔托大学在量子力学面前，我们在生活中积累的常识往往不再适用。好在由于普朗克常数很小，我们平时并不会被种种奇怪的量子效应困扰，不过这并不意味着量子力学仅能描述微观层面几个原子、分子的行为。宏观物体的量子效应是存在的，只不过它们太微弱，很容易就淹没在种种噪声之中。今天，两组科学家分别在《科学》上发文指出，他们首次直接观测到了宏观物体的量子纠缠，甚至还能以此“规避”不确定性原理。量子力学掌控着从基本粒子到宏观物体的运动规律，但对于后者而言，这种掌控往往显得不太明显。在众多因素的干扰下，量子效应对经典物理造成的偏差变得几乎不可见。因此，确认、测量宏观物体的量子效应，就成为众多物理学家的目标。就在今天，发表于最新一期《科学》杂志的两项研究实现了突破：其中一项研究找到了宏观物体量子纠缠的直接证据，另一项则在一个类似的系统中“规避”了量子力学的基本定律之一——不确定性原理。当然，这里的宏观仅仅是相对于分子、原子的宏观，两项研究中实验对象的大小都在红细胞级别。但是，让这样尺度的“宏观”物体产生量子效应也绝非易事，它们与环境之间多种多样的相互作用随时都会破坏脆弱的量子态。为此，两个实验环境温度都被控制绝对零度附近。宏观量子纠缠在其中一项研究中，美国国家标准技术研究所（NIST）的什洛米科特勒（Shlomi Kotler）团队用微波脉冲让两张小的铝片膜进入量子纠缠状态。每张铝片膜长20微米，宽14微米，厚度为100纳米。其质量为70皮克，相当于大约1万亿个原子的质量。以量子的标准而言，它们已经达到了相当大的尺度。该实验中使用铝鼓膜的扫描电镜照片（伪色图） 图片来源：Science vol. 372 no. 6542 622-625两张铝片膜与一个电路相连，并被放置在低温腔中。当研究人员施加脉冲微波时，电路会与铝片膜相互作用，控制铝片膜的振动模式。在此条件下，铝片膜可以维持大约1毫秒的量子状态。这在量子力学的尺度下，已经是相当长的时间了。微波被处于量子状态的铝片膜反射后，会被信号器接收。通过对比反射前后的微波性质，研究人员可以分析出铝片膜的位置和动量信息。该实验系统示意图 图片来源：Science vol. 372 no. 6542 622-625研究团队仔细分析了反射的微波。在宏观世界中，反射回来的微波应该是随机的。但是当他们将结果绘制成图时，却发现微波具有特定的模式——两张铝片膜中，一个相对平静，而另一个则在轻微地抖动，表明两张铝片膜发生了量子纠缠。“单独分析两张铝片膜振动的位置和动量信息，你只能看出它们在振动而已，”这篇论文的作者之一，NIST的物理学家约翰托伊费尔（John Teufel）表示，“但是当你对比两者的信息时，你就会发现两张铝片膜看似无规律的振动之间，其实存在着高度的关联性。这一点只有量子纠缠才做得到。”研究团队的斯科特格兰西（Scott Glancy）解释称，他们发现两张铝片膜的位置和动量之间都存在关联，如果这种关联比经典物理学所能产生的关联要强，那么就表明铝片膜之间肯定存在量子纠缠。尽管返回的脉冲微波信号能够同时测量铝片膜的位置和动量信息，但是不确定性原理表明，其测量仍然存在一定的误差。为了尽可能地减少误差，研究团队进行了1万次重复实验，并利用统计学方法对铝片膜的位置等实验结果的一致性进行了计算。最终他们可以确定，这两个宏观物体的振动模式被量子纠缠关联了起来。“规避”不确定性原理在同期发布的另一篇论文中，来自芬兰阿尔托大学等研究机构的科学家在8毫开尔文的温度下，让两个铝鼓膜进入长时间、相对稳定的纠缠态。在这种纠缠态下，研究人员可以对同一个纠缠态进行多次测量，从而“规避”量子力学中的不确定性原理。在实验中，鼓膜振动的相位总是相反的。如果对鼓膜1施加一个力，则鼓膜2的运动方向一定和力的方向相反。论文作者米卡西兰普（Mika Sillanp）表示：“一个鼓膜对力的响应总是和另一个鼓膜相反的，有点类似于负质量。”该实验示意图 图片来源：Science vol. 372 no. 6542 625-629“在这种情况下，如果将两个鼓视为一个量子力学实体，那么鼓运动状态的不确定性就被消除了。”该研究的主要作者劳雷梅西尔德斯特普（Laure Mercier de Lépinay）解释说。不确定性原理是20世纪20年代末由海森堡提出的。根据这个量子力学的基本概念，由于波函数的数学性质，我们不可能同时准确得知一个物体的位置和动量。不过，这并不意味着我们不能准确得知物体的位置和动量，只是在同时测量两者时，不确定性原理的限制才会出现。而反作用规避（Back-action evasion）就是在不违反不确定性原理的情况下，绕过这一限制的一种方式。在这次的实验中，研究团队就利用了反作用规避。本质上，他们没有测量每个鼓的位置和动量，而是通过鼓膜运动对电路电压造成的影响，测量了铝鼓膜的动量之和。瑞士苏黎世联邦理工学院研究员楚一文（Yiwen Chu，音译，未参与这两项研究）表示：“实验中没有任何地方违反了不确定性原理。你只是选择了一组特定的，不会被（不确定性原理）禁止的参数。”宏伟的蓝图这两项实验都以确凿的证据证明了宏观物体也可以实现量子纠缠。在量子纠缠的状态下，物体的行为与经典物理的描述存在显著的区别。不论纠缠物体之间的空间距离有多远，它们也不能被独立描述。而这种和经典物理显著的区别，正是新型量子技术背后的关键理论支撑之一。楚一文表示：“我们并没有发现任何量子力学之外的新理论，”但是要实现这两项实验中的测量，仍然需要“令人印象深刻的技术进步”。这种技术进步带来的高度纠缠的量子系统，或许能够在未来的量子网络中充当长期网络节点。此外，研究中的高效测量方法也可能对量子通信或者量子网络节点间的纠缠交换等应用有所帮助，因为这些应用都需要对量子纠缠进行测量。而在量子力学之外，这种技术进步在需要亚原子精度测量时为科学家提供了新的选择。或许，未来的暗物质和引力波探测也将在这种技术的帮助下实现新的飞跃。

丹麦和德国科学家在最新一期《科学》杂志上发表论文指出，他们携手解决了一个困扰量子科学家多年的问题——在两块纳米芯片上，首次同时控制两个量子光源，并让其实现量子力学纠缠。最新进展对量子硬件的突破性应用至关重要，将促进量子技术发展到更高水平，是计算机、加密和互联网加速“量子化”的关键一步，将为量子技术的商业利用打开大门。多年来，研究人员一直致力于开发稳定的量子光源，并实现量子力学纠缠，也就是两个量子光源可远距离地立刻相互影响。纠缠是量子网络的基础，也是开发高效量子计算机的核心。哥本哈根大学尼尔斯玻尔研究所彼得洛达尔教授表示，其团队一直在研究使用光子作为微传送器传输量子信息。一个量子光源发射的100个光子所包含的信息将超过世界上最大的超级计算机所能处理的信息。使用20—30个纠缠的量子光源，科学家们就有可能构建出一台通用的纠错量子计算机。但实现上述目标面临的最大挑战是，从控制一个量子光源到控制两个量子光源。因为光源对外界的“噪音”非常敏感，因此很难复制。历经20年努力，在最新研究中，洛达尔团队成功创造出两个相同的量子光源，并开发出先进的纳米芯片，对每个光源进行精确控制，实现了量子力学纠缠。最新研究主要作者、博士后阿列克谢蒂拉诺夫解释道：“纠缠意味着控制一个光源，就可立即影响另一个光源，使我们可创建出一个量子光源组成网络，其中的所有光源相互作用，能以与普通计算机中的比特相同的方式来执行量子运算，从而获得当今计算机技术无法实现的处理能力。”

p 　　量子纠缠态在量子信息、量子计算与精密测量等前沿科学问题中具有重大意义，它们的制备是量子物理的重要研究方向。根据量子力学的基本原理，干涉结果可以由每个粒子沿不同路径或内态的振幅相干叠加而得到。基于这种波动性质的干涉仪广泛应用于各式各样的精密测量物理系统中，增加干涉仪中使用的粒子/光子数可以提高干涉仪的信噪比。利用粒子之间的量子关联，可以实现超越经典极限的测量精度，这样的纠缠态目前已经在多种体系中实现。最好的指标是在冷原子系统中获得的，其对应的粒子数N可以达到甚至超过百万。而所谓的最大纠缠态NOON态和Dicke态可以实现接近海森堡极限的测量精度，但目前这种量子态只在离子、光子和核自旋体系上有成功的实验报道，最多对应了10个左右的粒子。 /p p 　　近期，国家重大科学研究计划量子调控研究项目“冷原子与偶极量子气体的性质与调控”清华大学尤力研究组取得了重大进展，成功制备了量子纠缠的双数态(Twin-Fock)原子玻色凝聚体(BEC)。这是一种原子在两个模式上具有同等粒子数的多体纠缠Dicke态。目前，该实验平台能在每40秒内确定性地制备一个由约10000个粒子组成的多体纠缠态，从非纠缠的初态到双数态凝聚体的转换效率高达96± 2%。该项研究首次验证了量子相变可以作为制备多体量子纠缠态的有效手段，研究论文于2017年2月10日发表于《Science》杂志上。 /p p /p p /p

您是否对基于Timepix芯片的混合像素X射线探测器感兴趣？您是否想要咨询关于电子显微镜的探测器升级解决方案？来自捷克的Advacam公司将欧洲CERN 开发的 Medipix/Timepix 技术商业化，为全球客户提供从硅传感器制造、微封装加工到混合像素光子计数探测器的X射线全产业链解决方案。同时在应用方面不断扩展，先后成立了衍生子公司 Radalytica 和 InsightART，分别从事复合材料诊断和艺术品分析。现在，衍生家族将再添一员- AdvaScope！电子显微镜的诞生，使人类的微观视野达到了原子精度的水平。经过五十多年的发展已成为现代科学技术中不可缺少的重要工具，被广泛应用到生物学、医学、材料科学、地质勘探、灾害鉴定以及工业生产等多种领域。AdvaScope正是瞄准这一应用，专为从事EM (Electron Microscopes)应用研究的客户提供定制化粒子探测系统，以及从客户痛点出发，提供专业的电子显微镜升级开发咨询服务。AdvaScope的成立，也标志着Advacam正式进军国际电子显微镜市场。我们能提供什么OUR TECHNOLOGY /AdvaScope可定制适用于EM应用的单粒子灵敏探测器，与常规探测器相比，拥有更优的分辨率、更快的速度和数量级的灵敏度改进。(4D )STEM in SEM/TEMµED (micro electron diffraction)EBSDEELSMicro/nano CTPtychographyX-ray irradiation systemsAND加速粒子探测系统的定制开发基于Timepix 探测系统的电子显微镜开发咨询diffraction pattern measured for Si sample aligned to [100] zone axisEBSD difraction pattern acquired in Thermo Fisher Scientific EM with a Timepix detector团队介绍OUR TEAM /AdvaScope创始团队汇集了来自电子显微镜和混合像素探测器两个领域的专家。其母公司Advacam与CERN Medipix Family有着密切合作，在混合像素光子计数X射线探测器开发领域始终保持着国际领先地位。同时公司与电子显微镜制造商，如FEI，TESCAN等国际巨头达成了战略合作关系。Pavel Stejskal- Scientific DirectorPavel 拥有核物理、高速数字和射频电子、信号处理和数据采集方面的专业背景，获伦敦帝国理工学院高能物理学博士学位。曾任职于CERN及FEI（现为赛默飞世尔科技），担任研究科学家一职。拥有直接电子探测、算法开发和信号处理等方向的多项专利。Michael Pohl- Managing DirectorMichael 毕业于捷克理工大学。在生产、工程、质控、项目管理方面拥有三十年的经验。Jan Jakůbek来自母公司Advacam的Jan负责监督研发工作及开发新的成像方法。Jan从事辐射成像和探测器研发多年，在实验和粒子物理、算法、电子和软件方面拥有丰富的经验。Jan 在布拉格捷克理工大学获得核物理博士学位，曾任捷克理工大学实验与应用物理研究所的创始成员和前系主任。Jan Sohar同样来自母公司Advacam的Jan 是一名业务开发专家，负责内部和外部流程改进。Jan 的背景是供应链管理、融资和公司运营。他在与技术初创企业合作方面拥有丰富的经验。SW专家团队AdvaScope软件团队在使用 Timepix 探测器开发定制解决方案方面拥有丰富的经验。他们为基于帧或数据驱动的采集策略开发了无损和加速的数据处理程序。他们对系统控制、监控、调节和校准的各个方面都有深刻的理解。合作伙伴Partners /北京众星联恒科技有限公司作为捷克Advacam公司中国区的总代理，也在积极探索和推广基于Timepix / Medipix芯片的混合像素X射线探测技术在中国市场的应用，目前已有众多客户将MiniPIX、AdvaPIX和WidePIX系列探测器成功应用于电子探测、空间辐射探测、X射线小角散射、X射线光谱学、X射线应力分析和X射线能谱成像等领域。我们也非常期待从事EM研究的客户联系我们，我们可以一起尝试做更多的事情。相关阅读Timepix3 |易于集成的多功能直接探测电子探测器Timepix3芯片原理及应用介绍(原理篇)

中国科大郭光灿院士团队在量子通信和量子网络的研究中取得重要进展。该团队李传锋、柳必恒研究组与南京邮电大学盛宇波等人合作，利用高品质的超纠缠源，首次实现了11公里的远距离量子纠缠纯化，纯化效率比此前国际最好水平提升了6000多倍。该成果2021年1月8日发表在国际知名期刊《物理评论快报》上。量子中继是在噪声信道中实现长距离量子通信的重要途径，而量子纠缠纯化是量子中继中的关键操作，利用量子纠缠纯化操作可以从两份纠缠度较低的纠缠态中提炼出一份纠缠度较高的纠缠态。此前的纠缠纯化协议都是利用两对低纠缠度的光子对实现，而研究组与合作者提出仅需一对超纠缠光子对的纠缠纯化方案。他们实验上制备出偏振和路径分别处于纠缠态的超纠缠光子对，并在11公里长的多芯光纤里进行纠缠分发，然后进行量子纠缠纯化操作。实验结果表明，分发后的偏振纠缠和路径纠缠初始保真度均为约0.665时，纯化得到的纠缠态的保真度可以提升到0.774，而初始保真度均为约0.771时，纯化后的保真度则可提升到0.887。他们还首次将纠缠纯化用于量子密钥分发，纯化前纠缠态的纠缠度太低，产生的有效密钥率为0，而经过纯化后，有效密钥率则提升到0.371。此外，由于只需要使用一对超纠缠光子对，该方案的纯化效率（每秒大约输出400对）比此前国际上的最好水平提升了6000多倍。该成果迈出了纠缠纯化从实验室平台到远距离的关键一步，同时大幅提升了纠缠纯化效率，为将来实现高效率的量子中继提供了有力的技术保障。论文第一作者为中科院量子信息重点实验室特任副研究员胡晓敏。该研究得到科技部、国家基金委、中科院、安徽省的支持。（a）实验概念图，（b）实验原理图。文章链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.010503

一、项目基本情况项目编号：2005012202项目名称：同济大学物理实验公共平台-量子纠缠实验系统+光学平台采购项目预算金额：250.8000000 万元（人民币）最高限价（如有）：250.8000000 万元（人民币）采购需求：包件名称：量子纠缠实验系统+光学平台包件预算：人民币250.8万元数量：壹批用途：科研教学主要规格参数：同济大学物理实验公共平台-量子纠缠实验系统+光学平台包括以下教学设备：量子纠缠实验系统4套；光学平台36台。用于同济大学物理实验公共平台中创新型、专业型、开放型实验教学，利用以上设备可进行量子纠缠实验，光学平台可进行应用光学系列、氦氖激光器系列、光纤系列实验和全息等实验项目仪器的放置和实验操作。光学平台的设计制造应符合中华人民共和国国家计量、安全、环保等标准及ISO国际标准。光学平台需配备先进合理的振动抑制措施，具有隔振效果好、平面精度高、可靠性强、重复性好等各种功效。隔振台及相应附属设备安装调试后即可投入使用。以上设备能满足物理实验公共平台开放和创新实验教学要求。详见本项目采购文件“第三章 技术规格”。合同履行期限：合同签订之日起 6 个月内完成并验收合格交付使用。本项目( 不接受 )联合体投标。二、申请人的资格要求：1.满足《中华人民共和国政府采购法》第二十二条规定；2.落实政府采购政策需满足的资格要求：本次招标执行政府强制或优先采购节能和环境标志产品、促进中小微企业、促进残疾人就业、支持监狱和戒毒企业、扶持不发达地区和少数民族地区、支持科学进步以及限制采购进口产品等相关政策。如投标产品的制造商为符合《政府采购促进中小企业发展管理办法》（财库〔2020〕46号）第二条要求的中小微企业（本招标文件中所称的中小微企业的含义均与此相同），则投标人须在投标文件中提供格式符合财库〔2020〕46号附1要求的《中小企业声明函（货物）》（正本）；如投标人为残疾人福利性单位，则须在投标文件中提供格式符合《关于促进残疾人就业政府采购政策的通知》（财库〔2017〕141号）要求的《残疾人福利性单位声明函》（正本），一旦中标将在中标公告中公告其声明函，接受社会监督；若提供声明函与事实不符的，将依照《中华人民共和国政府采购法》第七十七条第一款的规定追究法律责任。3.本项目的特定资格要求：（1） 符合《中华人民共和国政府采购法》第二十二条第一款的规定，即应符合下列条件：（a） 具有独立承担民事责任的能力；（b） 具有良好的商业信誉和健全的财务会计制度；（c） 具有履行合同所必需的设备和专业技术能力；（d） 有依法缴纳税收和社会保障资金的良好记录；（e） 参加政府采购活动前三年内（从2020年2月28日至今），在经营活动中没有重大违法记录。为此，投标人应在投标文件中提供下列证明材料和书面声明：（a） 法人或者其他组织的营业执照等证明文件，自然人的身份证明；（b） 财务状况报告，由税务机关出具的依法缴纳税收的凭证（或依法享受免税的证明）以及依法缴纳社会保障资金的相关证明材料（提供由当地社保中心或类似机构出具的交纳社保资金证明材料）；（c） 具备履行合同所必需的设备和专业技术能力的证明材料；（d） 参加政府采购活动前三年内在经营活动中没有重大违法记录的书面声明。（2） 近三年（从2020年2月28日至今）未被国家财政部指定的“信用中国”网站（www.creditchina.gov.cn）、中国政府采购网（www.ccgp.gov.cn）等官方渠道列入失信被执行人、重大税收违法案件当事人名单或政府采购严重违法失信名单。（3） 法人的分支机构以自己的名义参与投标时，应提供依法登记的相关证明材料和由法人出具的对该投标活动承担全部直接责任的承诺；（4） 本项目不采购进口产品【根据财政部《政府采购进口产品管理办法》（财库[2007]119号）规定：进口产品是指通过中国海关报关验放进入中国境内且产自关境外的产品】。（5） 本项目为非专门面向中小企业采购的项目；（6） 本项目不接受联合体投标。三、获取招标文件时间：2023年02月28日 至 2023年03月07日，每天上午8:00至12:00，下午12:00至16:00。（北京时间，法定节假日除外）地点：上海国际招标有限公司网站(https://www.shabidding.com)方式：网上领购售价：￥500.0 元，本公告包含的招标文件售价总和四、提交投标文件截止时间、开标时间和地点提交投标文件截止时间：2023年03月21日 09点00分（北京时间）开标时间：2023年03月21日 09点00分（北京时间）地点：上海市延安西路358号美丽园大厦19楼1900-2会议室五、公告期限自本公告发布之日起5个工作日。六、其他补充事宜1．招标文件从2023年2月28日开始，至2023年3月7日的16:00时（北京时间）在上海国际招标有限公司网站(https://www.shabidding.com) （以下简称官网）免费在线领购招标（或采购）文件。本采购文件每套500元人民币（不分包件），售后不退。（1）潜在投标人（或供应商）首次使用该网站需要完成注册程序，注册时需要提供《供应商注册专用授权函和承诺书》（可从供应商注册页面下载）盖章扫描件，潜在投标人（或供应商）应当提前准备，尽早办理，以免影响领购招标（或采购）文件。（2）已注册的潜在投标人（或供应商）可从网站采购公告栏的相应公告中进在线领购招标（或采购）文件流程。若公告要求提供法定代表人授权书等领购资料的（资料格式可从公告附件下载），潜在投标人（或供应商）应当上传相关资料的原件扫描件，否则采购代理机构有权拒绝向其出售招采购文件。无需提供领购资料的项目，潜在投标人（或供应商）提交领购申请并支付费用到账后即可下载电子招标（或采购）文件。项目经理会将纸质文件快递给潜在供应商。发票将以电子发票的形式发送到潜在投标人（或供应商）登记的电子邮箱。（3）对于未按上述要求进行注册并领购招标（或采购）文件的潜在投标人（或供应商），代理机构有权拒收其提交的投标（或响应）文件，对已经接收的投标（或响应）文件也将提请评标（或评审）委员会作无效投标（或响应）文件处理。（4）若有任何关于上海国际招标有限公司网站(https://www.shabidding.com)的操作问题，请致电86-21-32173705，咨询相关老师。2．所有投标人应于2023年3月21日9:00时（北京时间）前向上海国际招标有限公司（延安西路358号美丽园大厦14楼）递交一笔金额为不少于所投包件的预算金额的1.5%的投标保证金。3．投标文件应于2023年3月21日9:00时（北京时间）前递交到上海市延安西路358号美丽园大厦19楼1902-2会议室。4． 兹定于2023年3月21日9:00时（北京时间），在上海市延安西路358号美丽园大厦19楼1902-2会议室公开开标。届时请各投标人委派代表出席开标仪式。七、对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名称：同济大学地址：上海市四平路1239号联系方式：张老师021-659860712.采购代理机构信息名称：上海国际招标有限公司地址：上海市延安西路358号美丽园大厦14楼联系方式：徐迪、阮相儒、何沛霖 021-32173620，321736993.项目联系方式项目联系人：徐迪电话：17717905528

近日，南开大学物理科学学院超快电子显微镜实验室付学文教授团队成功研制并报道了国际首套超快扫描电子显微镜（SUEM）与超快阴极荧光（TRCL）多模态载流子动力学探测系统。该系统在飞秒超快电子模式下实现了空间分辨率优于10 nm，SUEM成像和TRCL探测的时间分辨率分别优于500 fs和4.5 ps，各项技术性能和参数指标达到国际领先水平。该团队利用该多模态载流子动力学探测系统在飞秒与纳米时空分辨尺度直接追踪了n型掺杂砷化镓（n-GaAs）半导体中的光生载流子的复杂动力学过程，结合SUEM成像和TRCL测量成功区分了其表面载流子和体相载流子的动力学行为，全面直观地给出了其光生载流子动力学的物理图像。该仪器系统的成功研制填补了我国在该技术领域的空白，为研究和解耦半导体中复杂的光生载流子动力学过程提供了一个强有力的高时空分辨测量平台，将为新型半导体材料与高性能光电功能器件的开发提供重要支撑。该研究近日以“A femtosecond electron-based versatile microscopy for visualizing carrier dynamics in semiconductors across spatiotemporal and energetic domains”（一种基于飞秒电子的可用于跨时空和能量维度可视化半导体载流子动力学的多功能显微镜）为题，发表于重要国际学术期刊《Advanced Science》。半导体光电材料与器件的功能和性能主要取决于其材料表/界面的载流子动力学过程，例如光伏与光电探测器件需要增强其界面光生载流子的分离与传输，抑制载流子的复合，而发光器件则要增强其界面载流子的辐射复合，抑制非辐射复合。这些载流子的动力学过程多发生在表/界面处，且动力学过程快至皮秒乃至飞秒量级，因此以超高的时间、空间以及能量分辨率测量半导体材料表/界面载流子不同类型的动力学过程对于现代半导体器件的研发及应用起着至关重要的作用，尤其是对于一些低维、高速、超灵敏的半导体光电器件。当前，研究半导体光生载流子动力学的时间分辨探测技术主要有瞬态吸收显微镜（TAM）及光谱、时间分辨近场扫描光学显微镜（NOSM）、时间分辨阴极荧光（TRPL）、时间分辨光发射电子显微镜（TR-PEEM）等。然而，光学衍射极限限制了这些技术的空间分辨率，并且激光较大的作用深度使得测得的动力学信号主要来自材料内部的平均载流子动力学信息，很大程度上掩盖了来自表面或界面载流子的贡献，且单一的探测手段难以同时给出载流子不同类型的动力学信息。因此，为了全面表征半导体材料的载流子动力学，特别是表/界面载流子的动力学，亟需发展一种在时空间和能量维度上同时具有超高分辨率并且兼具高表面敏感特性的超快探测手段。图1. 仪器系统的示意图和时空分辨性能表征。（a）超快扫描电镜与超快阴极荧光多模态载流子动力学探测系统的示意图。其中包含飞秒光学系统、扫描电镜系统、阴极荧光收集系统、条纹相机以及液氦低温台。图中左上角分别为金刚石微晶的扫描电镜图、阴极荧光强度分布图像、阴极荧光光谱以及n型GaAs在77 K下的条纹相机图像 （b）传统模式下锡球标样的SEM图 （c）和（d）不同放大倍数下锡球标样的飞秒脉冲电子图像，表明飞秒脉冲电子模式下良好的成像质量，其空间分辨率优于10 nm。（e）初始红外飞秒激光脉冲的脉宽；（f）超快扫描电子成像的时间分辨率测试，其仪器相应函数（IRF）大约为500 fs；（g）超快阴极荧光探测的时间分辨率测试，其IRF约为4.5 ps。随着超快电子显微镜技术的蓬勃发展，超快扫描电子显微镜（SUEM）和超快阴极荧光（TRCL）技术也迅速兴起，两者都同时兼具超短脉冲激光的超快时间分辨率和电子显微镜的超高空间分辨率。其中SUEM技术是基于泵浦-探测原理，用一束可见波段飞秒激光激发样品表面产生光生载流子，另一束同步的紫外飞秒激光激发扫描电子显微镜的光阴极产生飞秒脉冲电子进行扫描成像。由于扫描电子显微镜主要收集来自距离样品表面几个纳米范围内的二次电子信号，使得超快扫描电子显微镜技术具有表面敏感特性，能够直接对半导体材料表面或界面光生载流子（电子和空穴）的时空演化动力学进行成像。然而，该技术无法直接区分辐射复合与非辐射复合动力学过程。TRCL技术是用聚焦的飞秒脉冲电子束激发样品产生瞬态荧光，用条纹相机或时间相关单光子计数器对瞬态荧光进行测量，具有能量敏感特性，且信号绝大部分来源于材料体内，可直接反映载流子的辐射复合行为。因此，SUEM和TRCL在功能上形成良好的互补，将两者有机结合有望实现在超高的时空和能量分辨下全面解析半导体材料表/界面和体相载流子的动力学信息。鉴于此，付学文教授团队将飞秒激光、场发射扫描电子显微镜和瞬态荧光探测模块相结合，研制出了国际首套超快扫描电子显微镜与超快阴极荧光多模态载流子动力学探测系统（如图1示意图和图2实物图所示），实现了对半导体材料表/界面和体相载流子动力学过程的高时空分辨探测和解析。图2. 超快扫描电子显微镜与超快阴极荧光多模态载流子动力学探测系统实物照片。图3. 利用该系统对n型GaAs单晶表面的SUEM成像和TRCL测量结果。（a）n型砷化镓表面测量得到的随时间演化的SUEM图像；（b）从图（a）中光激发区域提取的二次电子强度演化及相应的载流子演化时间常数；（c）表面载流子的空间分布随时间的演化；（d）从297 K到77 K的变温时间积分CL光谱；（e）和（g）在图（a）的SUEM测试区域中分别探测得到的297 K和77 K下的条纹相机图像；（f）和（h）分别从（e）和（g）中提取的带边发射的衰减曲线及相应的荧光寿命。为展示SUEM成像与TRCL探测在超高时空和能量分辨率下直接可视化并解耦半导体中复杂激发态载流子动力学过程上的独特优势，该团队利用该自主研发的多模态实验装置研究了n型GaAs中的载流子动力学。如图3所示，SUEM图像表明由于表面能带弯曲效应，飞秒激光作用后表面光生载流子发生快速分离使空穴向表面富集。通过分析随时间变化的SUEM图像，提取出了光生载流子不同阶段的衰减时间常数；同时通过计算表面空穴分布的均方根位移，揭示了对应不同阶段表面空穴随时间的超扩散、局域化和亚扩散过程。通过进一步分析室温和液氦温度下测量的条纹相机图像中相应的非平衡载流子复合动力学过程和寿命，不但区分出了体相和表面载流子动力学过程的差异，还揭示了上述表面载流子的空间演变过程分别对应于能量空间热载流子冷却、缺陷捕获和带间/缺陷辅助辐射复合过程。该工作阐明了表面态和缺陷态对半导体表/界面载流子动力学的重要影响，展示了超快扫描电子显微镜和超快阴极荧光多模态动力学探测系统在超高时空尺度解耦半导体表/界面和体相载流子动力学中的独特优势。南开大学为该项工作的第一完成单位及通讯单位。南开大学物理科学学院博士生张亚卿和博士后陈祥为该论文共同第一作者，南开大学付学文教授为通讯作者。该研究得到了国家自然科学基金委、国家科技部、天津市科技局、中央高校基础研究经费等的大力支持。文章链接：https://doi.org/10.1002/advs.202400633

近日，全国汽车标准化技术委员会正式发布了国家标准《汽车用被动红外探测系统》（GB/T 43249-2023），该标准自2018年开始历经5年时间，在各方组织的联合推动下，终于成功面世发布。众多红外热成像企业包括海康微影、睿创微纳、高德红外、飒特红外、轩辕智驾等，依托公司强大的科技实力与多年红外技术的沉淀，全程参与并大力支持该国标实施发行，推动红外热成像技术在汽车行业的应用和发展。什么是被动红外技术被动红外技术简单理解就是红外热成像技术，该技术最先在军事上应用，但随着市场需求的扩大和更多资本的投入，热成像技术逐渐扩展到预防检测、消防、制程控制、安防、汽车、环境监测等民用领域。被动式红外技术是利用大于绝对温度的物体自身会向外发射一定波长的红外光束的原理，并利用红外图像传感器来感知目标物，也就是热成像技术。其探测范围广、距离远、穿透性强、防强光照射。在汽车领域里，基于红外热成像技术的夜视系统可以大幅提升汽车夜间视觉感知能力。这一功能前些年由国外垄断与技术封锁，原本只在高端进口车型才有配置。近年来随着软硬件实现国产化，红外热成像夜视系统这只“旧时王谢堂前燕”已然“飞入”更多的寻常车型，并成为前装后装市场新的增长点。左图为可见光，右图为远红外《汽车用被动红外探测系统》标准实施的意义《汽车用被动红外探测系统》国家标准的实施，标志着车载红外热成像技术行业内的权威认可。车载红外热成像产品可广泛应用于乘用车、商用车、特种车、高铁和轨道交通的前装、后装及智能驾驶解决方案等，能解决雾霾雨雪等恶劣天气环境、夜间光照不良、眩光视线不佳等影响安全驾驶的重点问题，结合可见光摄像头、激光雷达、毫米波雷达等传感器实现多维感知，提升智能驾驶系统的安全性和可靠性。红外热成像的加速“上车”，将开启智能驾驶的新蓝海。

【期刊】Journal of Power Sources IF=9.13DOI：https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.230459 【成果简介】 锂离子电池现已广泛应用于数码产品，医疗器械，和汽车等众多领域。可是，在使用锂离子电池的过程中，锂电池的性能会随着内部结构的老化而降低。这一问题会导致使用锂离子电池的成本增高。为了更加深入地了解锂离子电池在使用过程中老化的细节。奥地利林茨大学Gramse教授课题组近日利用扫描电镜专用原位AFM探测系统AFSEM对锂离子电池老化过程中电表面的形貌和导电特性的变化进行了纳米尺度的原位研究，其成果发表在Journal of Power Sources上。 AFSEM™ —使AFM和SEM合二为一：▪ 实现AFM和SEM的功能性互补▪ 让SEM实现样品的真实三维形貌成像▪ 在扫描电镜中进行AFM原位分析▪ 无需激光和探测器，适用于任何样品表面▪ 适配SEM不妨碍正常的操作 【图文导读】图1 用不同尺度和方法来研究锂离子电池的电化学表现。A）用电化学阻抗谱（EIS），电池循环和容量测试的方法研究锂离子电池的老化问题。 B)用电化学相关有限元的方法来研究电池的EIS表现。C）用AFM，AFSEM和SEM等表征手段研究电池循环后的纳米尺度上的彼变化。图2 电化学循环次数，充电状态和循环温度对锂离子电池阻抗谱的影响。A）电池不同循环次数后阻抗谱的变化。B）充电600次后，24℃条件下的电池阻抗谱。C）不同温度下，循环100次后电池阻抗谱的研究。 图3 锂离子电池的有限元模型。A）锂离子电池的一维有限元模型。B)不同薄膜阻抗下模拟的电化学阻抗值。C)电化学阻抗模拟值随着双层电容的变化。D)不同电材料颗粒大小对电化学阻抗模拟值的影响。图4 电池经过循环后，SEM和AFSEM对电池内部结构的原位微纳表征。A）经过不同次数的循环后，石墨阳表面的电子扫描成像。B）AFSEM对不同循环次数的阳表面形貌进行原位表征。C) AFSEM对不同循环次数的阴表面形貌进行原位表征。图5 利用AFSEM多功能探针对不同老化阶段的阳材料进行表征。A）为AFSEM原子力显微镜扫描获得的形貌图。B）扫描微波显微镜对样品表征结果。C）AFSEM提供的样品纳米尺度的直流电导率测量。 【文章总结】 奥地利林茨大学Gramse教授课题组利用AFSEM对老化锂离子电池电表面进行了纳米尺度的原位分析。这是因为AFSEM可以在电子显微镜所需的真空环境下运行。在获得电子显微成像的基础上，还可以获得样品表面形貌的信息。除此之外，AFSEM的多功能探针，也可以对样品指定区域的磁性，电学，力学，热学性能进行微纳尺度的表征。

项目编号：1639-224122240368/03项目名称：华东师范大学微型显微镜级探测系统预算金额：150.0000000 万元（人民币）最高限价（如有）：150.0000000 万元（人民币）采购需求：序号/ No货物名称/Name of the goods数量/Quantity简要技术规格/Main Technical Data* 交货期/ Delivery schedule1微型显微镜级探测系统1套光纤波长范围：400-1000nm合同签订后180天内。/ CIP Shanghai (ECNU)within 180 days after signing the contract.合同履行期限：合同签订后180天内本项目( 不接受 )联合体投标。

喜讯2019年8月，国内套奥地利GETec公司扫描电镜专用原位AFM探测系统（AFSEM）在中国科学院上海硅酸盐研究所曾毅教授课题组顺利交付使用。奥地利GETec公司扫描电镜专用原位AFM探测系统现场安装培训 纳米新探索 奥地利GETec公司发布的AFSEM是一款紧凑型，适用于真空环境的AFM产品，能够轻松地与SEM结合为一体，大地扩展SEM样品成像和分析能力，实现了AFM和SEM的功能性互补。AFSEM技术与SEM技术的结合，是人们对纳米新探索的重要工具之一。 GETec AFSEM 系统安装示意图及实物图中国科学研究院硅酸盐研究所曾老师课题组主要从事材料显微结构表征技术研究，在扫描电镜使用操作方面具有丰富的经验。本次交付的AFSEM系统结合了课题组已有的美国FEI电镜Versa™ 3D 双束扫描电镜，该强有力地结合，可将SEM已有的样品表面分析成像功能扩展到AFM探测领域，同时也将帮助曾老师课题组在材料显微结构方面的研究，我们也祝愿曾老师在未来的科研工作中取得累累成果。同时，GETec公司也非常关注此次安装，同期9月，奥地利政府经济商会访问团在上海大学参与政府组织的学术研讨活动，会后邀请其国内外专家人士参观曾老师课题组，并顺利举办有关GETec技术应用研讨会，将奥地利公司及研究机构与上海大学及研究机构紧密联系在一起。研讨会上，奥地利GETec公司介绍了AFSEM的新发展并讨论其应用。 奥地利GETec公司国内举办研讨会及现场仪器操作演示

中科院海洋研究所张鑫博士作为第一完成人与美国MBARI (Monterey Bay Aquarium Research Institute) 研究所合作，成功研制出基于深海ROV (Remotely Operated Vehicle) 缆控机器人的深海甲烷原位探测系统。相关研究成果已于近期发表在Geophysical Research Letters 杂志，并在第一时间被《自然》和《科学》杂志同时进行了报道和评述。 　　利用该项技术，科研人员在世界上首次获得了深海沉积物中甲烷的原位真实浓度，是传统采样测试结果的10-20倍，从而证明甲烷不仅存在于天然气水合物中，而且更广泛地大量赋存于深海沉积物中。在ROV的视频监控下，系统将钛合金探针插入深海沉积物中，抽取沉积物孔隙水，并使用深海激光拉曼光谱仪原位获得孔隙水中的甲烷浓度。同时，该技术还可以原位获取深海沉积物中溶解的硫化氢气体、pH值和硫酸根等多种海洋化学参数。 　　著名天然气水合物专家Ross Chapman教授认为，该项技术是“昂贵却实用的”。相关研究成果已在2009年AGU秋季会议和2010 Ocean Sciences会议上作了会议报告，还将于今年6月在西班牙召开的OCEANS 2011会议和今年7月在英国召开的第七届国际天然气水合物大会上作邀请报告，已经成为近期国际海洋界的研究热点之一。 　　深海沉积物中蕴藏着丰富的甲烷气体，其与水分子结合可以形成天然气水合物，在全球甲烷循环和气候变化中具有重要作用，并且是一种潜在的清洁能源，但一直缺乏有效的探测手段。 　　作为一种先进的海洋化学探测技术，该研究成果对于海洋地质和海洋化学研究中关注的沉积物海洋地球化学、天然气水合物原位探测和深海热液、冷泉生态系统研究具有很好的应用前景。 　　从海底取样(图片来源：MBARI) 　　张鑫在科研船上进行研究(图片来源：Nancy Barr/MBARI) 使用深海激光拉曼光谱仪原位获得孔隙水中的甲烷浓度(图片来源：张鑫/中科院海洋研究所)

一、项目基本情况1.项目编号：ZTXY-2023-H21768项目名称：北京理工大学纳米光谱与成像探测系统采购预算金额：700.000000 万元（人民币）最高限价（如有）：700.000000 万元（人民币）采购需求：名称数量单位简要技术要求是否接受进口产品北京理工大学纳米光谱与成像探测系统1套采用散射式近场光学（s-SNOM）设计，近场光学空间分辨率与入射光波长无关，在可见光和红外光波段范围内均能够实现光学超分辨成像，光学空间分辨率≤10nm；是 合同履行期限：合同签订后12个月内交货并安装完毕。本项目( 不接受 )联合体投标。2.项目编号：ZTXY-2023-H21769项目名称：北京理工大学超高速波长调制光学测量系统采购预算金额：765.000000 万元（人民币）最高限价（如有）：765.000000 万元（人民币）采购需求：名称数量单位简要技术要求是否接受进口产品北京理工大学超高速波长调制光学测量系统1套包括4个模块即激光器主机模块、调频模块、锁频模块以及测量分析模块，需保证模块间的互相协作及集成整合，可针对爆轰反应流场的多物理参数是 合同履行期限：合同签订后6个月内交货并安装完毕。本项目( 不接受 )联合体投标。二、获取招标文件时间：2023年12月04日 至 2023年12月11日，每天上午8:30至12:00，下午12:00至16:30。（北京时间，法定节假日除外）地点：北京市朝阳区南磨房路37号华腾北搪商务大厦11层1103室（或邮件方式）。方式：现场报名或邮件方式。邮件方式：在本项目招标文件发售截止时间前，将支付标书款凭证发至邮箱baoming_ztxy100@163.com。邮件主题“【北京理工大学超高速波长调制光学测量系统采购】-XXX公司”。邮件内容“【项目信息（项目名称、项目编号），投标人信息（公司全称、统一信用代码），联系人信息（姓名、手机号、电子邮箱）】”以标书款到账时间为准，逾期汇款报名无效（未及时发送报名信息导致的后果，投标人自行承担）。售价：￥500.0 元，本公告包含的招标文件售价总和三、对本次招标提出询问，请按以下方式联系。1.采购人信息名 称：北京理工大学　　　　　地址：北京市海淀区中关村南大街5号　　　　　　　　联系方式：陈老师，010-68912384　　　　　　2.采购代理机构信息名 称：中天信远国际招投标咨询(北京)有限公司　　　　　　　　　　　　地　址：北京市朝阳区南磨房路37号华腾北搪商务大厦11层1103室　　　　　　　　　　　　联系方式：王文姣、王师安、于海龙、成志凯、张静、鲁智慧，010-51908151 　　　　　　　　　　　　3.项目联系方式项目联系人：王师安电　话：　　010-51908151

中国科学技术大学潘建伟、苑震生等与清华大学马雄峰、复旦大学周游合作，使用光晶格中束缚的超冷原子，通过制备二维原子阵列、产生原子比特纠缠对、连接纠缠对的分步扩展方式制备了多原子纠缠态，并通过显微学技术调控和观测了其纠缠性质，向制备和测控大规模中性原子纠缠态迈出重要一步。这项研究成果近日发表在国际权威学术期刊《物理评论快报》上，美国物理学会“Physics”以《光晶格量子计算机的里程碑》(Milestone for Optical-Lattice Quantum Computer)为题作了报道。量子纠缠是量子计算的核心资源，量子计算的能力将随纠缠比特数目的增长呈指数增长。因而，大规模纠缠态的制备、测量和相干操控是该研究领域的核心问题。在实现量子比特的众多物理体系中，光晶格中的超冷原子比特具备良好的相干性、可扩展性和高精度的量子操控性，成为实现量子信息处理的理想物理体系之一。自2010年开始，中国科大研究团队系统地研究了光晶格中原子的多体相变、原子相互作用、熵分布动力学等，并于2020年实现纠缠保真度为99.3%的1000多对原子纠缠态[Nature Physics 12, 783(2016)；Nature Physics 13, 1195(2017) Science, 369,550(2020)]。这一系列研究工作推动了原子纠缠对保真度的提升和原子并行操控能力的增强，为连接扩展成更大的多原子纠缠态、进而开展量子计算研究打下基础。但是，在之前的工作中，由于技术上对单原子比特操控能力仍然不足、光晶格相位漂移较大、缺乏多原子纠缠判定的有效方法，进一步连接纠缠对和测控多原子纠缠态遇到了瓶颈问题。为了解决上述问题，潘建伟、苑震生团队研发了一种新型的等臂交叉束干涉、自旋依赖超晶格系统，并集成了自主研发的单格点分辨、宽波段消色差的量子气体显微镜和多套用于光斑形状编辑的数字微镜，兼具多原子全局并行和局域单格点测控的能力，且实现了晶格相位长期稳定。在此基础上，该团队取得了填充率为99.2%的原子二维阵列的制备及原位观测，选择其中49对原子制备了纠缠贝尔态,平均保真度为95.6%，寿命为2.2秒；进一步，他们使用纠缠门将相邻纠缠对连接起来，制备了10原子一维纠缠链和8原子二维纠缠块，首次突破了光晶格中原子纠缠对连接和多原子纠缠判定的瓶颈，为开展更大规模的光晶格量子计算和模拟打下基础。 　　中国科学技术大学博士后章维勇、博士生何明根和博士后孙辉为论文的共同第一作者。该研究工作得到国家自然科学基金委、科技部、安徽省等的支持。

北京正负电子对撞机上的北京谱仪III（BESIII）实验实现了一种全新方法，为研究物质和反物质之间的差异提供了极其灵敏的探针。6月2日，相关研究成果刊发于《自然》杂志。　　论文所有匿名评审都对这一成果大加赞赏：“创新的测量方法”“很重要”“很新颖”“吸引人”“非常有前景”… … 到底是什么成果，竟让匿名评审们如此兴奋？　　不好好“组CP”的反物质　　“正反物质不对称性”是困扰科学界半个多世纪的问题，也是粒子物理学家一直在寻找的现象。他们常会提到一个词——“CP破坏”。　　“CP破坏”里的“CP”，和我们平时常说的“组CP”里的“CP”（情侣档）并不是一码事。　　130亿年前，宇宙在发生大爆炸之后迅速膨胀、冷却，大量正反粒子彼此结合、湮没。然而，就像闹了别扭的情侣一样，正反粒子在结合湮没的过程中，行为出现了一些不同。每十亿个正反粒子湮没的过程中，就有一个正物质粒子被留了下来，并最终组成了当今宇宙中所有的物质。　　科学家将正粒子和反粒子衰变过程不一样的现象，称为“CP破坏”。　　“CP破坏”的名字与李政道、杨振宁密切相关。他们提出并获得诺贝尔物理学奖的“宇称不守恒定律”认为，粒子的弱相互作用中存在“镜像”空间反射不对称性。　　在此基础上，科学家总结出了“CP破坏”。“CP破坏现象可以用来解释为什么我们的世界中只有正物质，没有反物质。”中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士王贻芳告诉《中国科学报》。　　宇宙原初反物质为何消失？　　超子CP破坏有望解谜　　自上个世纪60年代以来，国外科学家已经相继在介子系统中发现了CP破坏。可是，正反物质的不对称性并没有因此得到完美解释。　　“在构成世界的主要粒子中，介子数量很少，介子衰变时多出来的正物质并不足以形成现在的世界。”王贻芳说。　　与数量稀少的介子不同，重子是构成世界的主要粒子。“如果能在重子中找到CP破坏，我们就能够更好地理解宇宙原初反物质消失之谜。”王贻芳说。　　遗憾的是，科学家从未在重子衰变中发现过CP破坏，原因在于“弱衰变信号有时会被强相互作用掩盖”。“所以要想看到重子的CP破坏，就需要有足够高灵敏度和创新性的实验方法，把弱相互作用与强相互作用的信号区分开来。”王贻芳说。　　超子是重子中的一种，类似于质子，但寿命很短，因此不像质子那样可以存在于我们身边。在超子中，有一个名叫“科西超子”的成员，由两个奇异夸克和一个轻夸克组成，当奇异夸克发生弱衰变时，它便消失了。　　超子衰变被科学家视为“寻找CP破坏的一个很有希望的狩猎场”，因为测量CP破坏时需要的一些信息可以通过超子的衰变直接测量。　　发现了高精度测量方法　　从2009年起，BESIII实验从正负电子对撞出的“碎片”中，收集到了约100亿J/psi粒子。这种名叫“J/psi”的粒子会衰变产生正—反科西超子，之后，正—反科西超子还会继续衰变、消失。　　BESIII实验组的科研人员用了100亿粒子事例中的13亿，分析出了正—反科西超子的诞生过程，重建出7万多个正—反科西超子对。如此一来，BESIII就成了一个干净、小巧的科西超子“工厂”。　　“干净”是因为本底污染率小于千分之一水平。“小”是因为BESIII实验中，超子产额并不算多。“巧”是因为BESIII实验的敏感度足够高。　　“我们的超子产额只有美国费米实验室一个叫HyperCP实验产额的千分之一，但单事例的敏感度是HyperCP单事例的一千倍。”BES III实验发言人、中科院高能物理研究所研究员李海波说。　　在分析数据时，BESIII实验组的科研人员发现了一种高精度测量超子CP破坏的方法。　　早先，他们发现，刚衰变出来的正科西超子和反科西超子之间存在一种特殊的现象——“量子纠缠”。于是，利用这种独特的量子纠缠效应，再结合科西超子其他数据信息，实验人员不仅从海量数据中同时找出了正科西超子、反科西超子的衰变信号，还以前所未有的精度测量出正—反科西超子的不对称参数。　　“新方法解决了30年来不能同时高效地对超子和其反粒子测量的困境，也给出了更丰富的CP破坏测量结果。”李海波说。　　“这一成果已经引起国际同行的关注，相关研究人员被2021年国际轻子光子大会邀请作大会专题报告，成为这一领域的新星。”王贻芳说。　　暂未发现新物理现象，将分析更多数据　　遗憾的是，BESIII实验组此次的测量结果并没有显示出超子的CP破坏迹象。即便如此，新方法的发现依然得到了国际匿名评审的认可。　　一位匿名评审点评说：“即使尚未发现CP破坏的新迹象，但研究方法上仍然很有趣。”另一位匿名评审认为：“新方法为将来的实验指明了方向，铺平了道路。”　　“这一创新方法为我们未来确认或排除超出标准模型的CP破坏来源带来了希望。”王贻芳说。　　抱着这样的希望，实验组正在向更高的测量精度发起挑战。“我们希望在不远的将来，能够用这种测量方法发现超子CP破坏的实验证据。”王贻芳表示，BESIII实验组正在分析100亿粒子衰变数据，测量精度有望再提高3倍左右。　　目前，这支由我国主要开展研究的实验团队面临着激烈的国际竞争。　　“欧洲核子中心的大型强子对撞机底夸克探测器（LHC-b）也正在大量制造超子。不过，他们的本底污染率比我们高。”李海波告诉《中国科学报》，BESIII实验组在测量上的优势在于BESIII实验“完美的探测器设计”。　　BESIII是我国历史上最早的粒子物理大科学装置——北京正负电子对撞机上的探测器。它关注两个科学问题：夸克如何组成物质粒子和宇宙物质—反物质不对称的起源。　　王贻芳介绍，从2009年至今，BESIII实验已经发表了400余篇研究成果。该探测器计划运行到2030年。　　作为我国自主研发的大型高能实验装置，BESIII实验吸引了来自17个国家80家科研机构的约500个科研人员，是目前国内正在运行的最大国际合作组。此次发表的新成果由中国科学家和国外合作者共同完成。

在背景与目标红外辐射量差距不大或背景较为复杂等情况下，传统红外成像技术对目标进行探测与识别的难度较大。而红外偏振探测在采集目标与背景辐射强度的基础上，还获取了多一维度的偏振信息，因此在探测隐藏、伪装和暗弱目标和复杂自然环境中人造目标的探测和识别等领域，有着传统红外探测不可比拟的优势。但同时，偏振装置的加入也增加了成像系统的复杂度与制作成本，且对于远距离成像，在红外成像系统前加入偏振装置对成像系统的探测距离有多大的影响，也有待进一步的研究论证。据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院上海技术物理研究所、中国科学院红外探测与成像技术重点实验室和中国科学院大学的科研团队在《红外与毫米波学报》期刊上发表了以“考虑探测器非理想性的红外偏振成像系统作用距离分析”为主题的文章。该文章第一作者为谭畅，主要从事红外偏振成像仿真方面的研究工作；通讯作者为王世勇研究员，主要从事红外光电系统技术、红外图像信号处理方面的研究工作。本文将从分析成像系统最远探测距离的角度出发，对成像系统的探测能力进行评估。综合考虑影响成像系统探测能力的各个因素，参考传统红外成像系统作用距离模型，基于系统的偏振探测能力，建立了红外偏振成像系统的作用距离模型，讨论了偏振装置非理想性对系统探测能力的影响，并设计实验验证了建立模型的可靠性。红外成像系统作用距离建模目前较为公认的对扩展源目标探测距离进行估算的方法是MRTD法。该方法规定，对于空间频率为f的目标，人眼通过红外成像系统能够观察到该目标需要满足两个条件：①目标经过大气衰减到达红外成像系统时，其与背景的实际表观温差应大于或等于该频率下的成像系统最小可分辨温差MRTD（f）。②目标对系统的张角θT应大于或等于相应观察要求所需要的最小视角。只需明确红外成像系统的各项基本参数与观测需求，我们就可以计算出系统的噪声等效温差与最小可分辨温差，进而求解出它的最远探测距离。红外偏振成像系统作用距离建模偏振成像根据成像设备的结构特性可分为分振幅探测、分时探测、分焦平面探测和分孔径探测。其中分时探测具有设计简单容易计算等优点，但只适用于静态场景；分振幅探测可同时探测不同偏振方向的辐射，但存在体积庞大、结构复杂，计算偏振信息对配准要求高等问题；分孔径探测也是同时探测的一种方式，且光学系统相对稳定，但会带来空间分辨率降低的问题；分焦平面偏振探测器具有体积小、结构紧凑、系统集成度高等优势，可同时获取到不同偏振方向的偏振图像，是目前偏振成像领域的研究热点，也是本文的主要研究对象。图1为分焦平面探测系统示意图。图1 分焦平面探测器系统示意图本文仿真的分焦平面偏振探测器，是在红外焦平面上集成了一组按一定规律排列的微偏振片，一个像元对应着一个微偏振片，其角度分别为 0°、45°、90°和135°，相邻的2×2个微像元组成一个超像元，可同时获取到四种不同的偏振态。图1为分焦平面探测系统结构示意图。传统方法认为在红外成像系统前加入偏振装置后，会对系统的噪声等效温差与调制传递函数MTF（f）产生影响，改变系统的最小可分辨温差，进而改变系统的最远探测距离。本文将从偏振装置的偏振探测能力出发，分析成像系统的最小可分辨偏振度差，建立红外偏振成像系统的探测距离模型。我们首先建立一个探测器偏振响应模型，该模型将探测器视为一个光子计数器，光子被转换为电子并在电容电路中累积，综合考虑探测器井的大小、偏振片消光比、信号电子与背景电子的比率以及入射辐射的偏振特性，通过应用误差传播方法对结果进行处理。从噪声等效偏振度（NeDoLP）的定义出发，NeDoLP是衡量偏振探测器探测能力的指标，即探测器对均匀极化场景成像时产生的标准差。对其进行数学建模，进而分析得到红外偏振成像系统的最远探测距离。图2 DoLP随光学厚度变化曲线对于探测器来说，积分时间越长，累积的电荷越多，探测器的信噪比（SNR）就越高，但这种增加是有限度的。随着积分时间的增加，光生载流子有更多的时间被收集，增加信号。然而，同时，暗电流及其相关噪声也会增加。对于给定的探测器，最佳积分时间是在最大化信噪比和最小化暗电流及噪声的不利影响之间取得平衡，为方便分析，我们假设探测器工作在“半井”状态下。通过以下步骤计算红外偏振成像系统最远作用距离：a. 根据已知的目标和背景偏振特性以及环境条件，计算在给定距离下，目标与背景之间的偏振度差在传输路径上的衰减。b. 结合系统的探测器性能参数，确定目标在给定距离下是否可被观察到。如果不能则减小设定的距离。目标被观察到需同时满足衰减后的偏振度差大于或等于系统对应于该频率的最小可分辨偏振度差MRPD，目标对系统的张角θT大于或等于相应观察要求所需要的最小视场角。c. 逐步增加距离，直到目标与背景之间的偏振度差不再满足观察要求。这个距离即为成像系统最远作用距离。τp (R)为大气对目标偏振度随探测距离的衰减函数，可根据不同的天气条件，根据已有的测量数据进行插值，计算出不同探测距离下大气对目标偏振度的衰减，图4. 5给出了根据文献中测量数据得到的偏振度随光学厚度增加衰减关系图。这里给出的横坐标是光学厚度，不同天气条件下，光学厚度对应的实际传播距离与介质的散射和吸收系数有关。综上，我们建立了传统红外成像系统和考虑了偏振片非理想性的红外偏振成像系统的作用距离模型，下面我们将对模型的可靠性进行验证，分析讨论探测器各参数对成像系统探测能力的影响。验证与讨论由噪声等效偏振度的定义可知，其数值越小，代表偏振探测器的性能越优秀。下面我们对影响红外偏振成像系统探测性能的各因素进行讨论，并设计实验验证本文建立模型的正确性。偏振片消光比消光比是衡量偏振片性能的重要参数，市售的大面积偏振片的消光比可以超过200甚至更多。对其他参数按经验进行赋值，从图3可以看到，对于给定设计参数的探测器，偏振片消光比超过20后，随着偏振片消光比的增加，探测器性能上的提升微乎其微。对于分焦平面探测器，为实现更高的消光比，不可避免地要牺牲探测器整体辐射通量。由于辐射通量降低而导致的信噪比损失可能远远超过消光比增加所获得的收益。这一结果同样可以对科研人员研制偏振片提供启发，对需要追求高消光比的偏振片来说，增大透光轴方向的最大透射率要比降低最小透射率更有益于成像系统的性能。图3 偏振片消光比与探测器噪声等效偏振度关系图探测器井容量红外探测器的井容量是指探测器像素在饱和之前能够累积的电荷数量的最大值。井容量是衡量红外探测器性能的一个关键参数，井容量通常以电子数（e-）表示。较大的井容量意味着探测器可以在饱和之前存储更多的电荷，从而能够在更大的亮度范围内准确检测信号。这对于在具有广泛亮度变化的场景中捕获清晰图像至关重要。从图4可以看出，增大探测器井的容量，同样能很好的提高成像系统的偏振探测能力。图4 探测器井容量与探测器噪声等效偏振度关系图然而，井容量的增加可能会导致像素尺寸增大或探测器面积减小，这可能对系统的整体性能产生负面影响。因此，在设计红外探测器时，需要权衡井容量、像素尺寸和其他性能参数，以实现最佳性能。目标偏振度虽然推导出的噪声等效偏振度公式包含目标偏振度这一参量，但目标的偏振度本身对探测器的噪声等效偏振度没有直接影响。NeDolp 是一个衡量探测器性能的参数，它主要受探测器内部噪声、电子学和其他系统组件的影响。然而，目标的偏振度会影响探测器接收到的信号强度，从而影响信噪比（SNR）。从图5也可以看出，探测器的NeDolp受目标的偏振度影响不大。图5 目标偏振度与探测器噪声等效偏振度关系图读取噪声与产生复合噪声比值读取噪声主要来自于探测器的读出电路、放大器和其他电子元件。它通常在整个光强范围内保持相对恒定。产生复合噪声是由光子的随机到达和电荷生成引起的，与光子数成正比。在低光强下，产生复合噪声通常较小；而在高光强下，它会逐渐变大。通过计算读取噪声和产生复合噪声的比值，可以确定系统的性能瓶颈。如果读取噪声远大于产生复合噪声，这意味着系统在低光强下受到读取噪声的限制。在这种情况下，优化读出电路和放大器等元件可能会带来性能提升。如果产生复合噪声远大于读取噪声，这意味着系统在高光强下受到产生复合噪声的限制。在这种情况下，提高信号处理和光子探测效率可能有助于改善性能。从图6可以看出，降低读取噪声与产生复合噪声比值可以有效提升系统偏振探测能力。图6 δ与探测器噪声等效偏振度关系图信号电子比例综合图4~6可以看出，提升β的数值可有效提高探测器的偏振探测能力，由β的定义可知，对于确定井容量的探测器，β的取值主要取决于探测器的各种噪声与积分时间，降低探测器的工作温度、优化探测器结构、减少表面和界面缺陷等途径都可以降低探测器的噪声，调节合适的积分时间也有助于探测系统的性能提升。实验验证根据噪声等效偏振度的定义，利用面源黑体与红外可控部分偏振透射式辐射源创建一组均匀极化场景。如下图7所示，黑体发出的红外辐射，经过两块硅片，发生四次折射，产生了偏振效应，通过调节硅片的角度，即可产生不同线偏振度的红外辐射。以5°为间隔，将面源黑体平面与硅片间的夹角调为10°~40°共七组。每组将面源黑体设置为40℃和70℃两个温度，用国产自主研制的红外分焦平面偏振探测器采取不少于128帧图像并取平均，然后将每组两个温度下相同角度获得的图像作差，以减少实验装置自发辐射和反射辐射对测量结果的干扰，差值图像就是透射部分的红外偏振辐射。对差值图像进行校正和去噪后，即可按公式计算出探测器对均匀极化场景产生的偏振度图像。计算出红外辐射的线偏振度，为减小测量误差，仅取图像中心区域的像元进行分析。该区域像元的标准差就是该成像系统的噪声等效偏振度（NeDoLP）。探测器具体参数如表1所示。图7 实验示意图表1 偏振探测器参数利用本文建立的探测器仿真模型计算出硅片的线偏振度仿真值，公式19计算出硅片线偏振度的理论值，与实验的测量值进行对比，图8展示了三组数据的变化曲线，从图中可以看出，三组数据存在一定偏差，这可能与硅片调节角度误差、面源黑体稳定性、干涉效应、硅片摆放是否平行等因素有关，但在误差允许的范围内，实验验证了偏振探测系统的性能，也证明了本文建立仿真模型的可靠性。NeDoLP测量结果如表2所示。图8 线偏振度理论值、测量值与本文模型仿真值曲线图表2 实验结果从上表可以看到NeDoLP的测量值与仿真值的差值基本能控制在5%以内，实验结果再次印证了本文设计的模型的可靠性。实例计算应用建立的模型对高2.3m，宽2.7m，温度47℃，发射率为1的目标的最远探测距离进行预测，目标差分温度6℃；背景温度27℃；发射率1；目标偏振度30%，背景偏振度1%，使用3.2节中样机的探测器参数，最后，采用文献中介绍的“等效衰减系数-距离”关系的快速逼近法对红外探测系统最远作用距离R进行求解，得到表3的结果。表3 红外成像系统的最远作用距离根据红外探测系统最远探测距离，利用本文第二节提出的方法，得到不同探测概率下红外偏振成像系统最远作用距离结果如表4所示。表4 红外偏振成像系统的最远作用距离所选例子为目标与背景偏振度差异大于其温差，所以在这种探测场景下红外偏振成像系统的探测能力要优于红外成像系统。探测器的参数不同，探测场景与目标的变化都会对模型的结果产生影响，但本文提供的成像系统作用距离模型可为实际探测中不同应用场景下的成像系统选择提供参考。结论针对不同的探测场景，红外成像系统与红外偏振成像系统在最远探测距离方面哪个更有优势并没有定论，探测目标的大小，背景与目标的温差与偏振度差，大气透过率，具体探测器的参数等因素都会对成像系统的最远探测距离产生影响。经实验验证，本文所建立的非理想红外偏振成像系统的响应模型是可靠的，可以用于估算成像系统的最远作用距离，针对不同的探测场景，读者可通过实验确定探测器的具体性能参数，利用仿真软件或实验测量的方式获取探测目标的温度与偏振信息，明确探测环境的具体大气参数，利用模型对红外成像系统与偏振成像系统的最远作用距离进行预估，选择更具优势的成像系统。这项研究获得上海市现场物证重点实验室基金（No. 2017xcwzk08）和上海技术物理研究所创新基金（No. CX-267）的资助和支持。论文链接：http://journal.sitp.ac.cn/hwyhmb/hwyhmbcn/article/abstract/2023041

日前从中国计量科学研究院获悉，由该院承担的国家“十一五”科技支撑项目“利用相关光子测量技术建立光电探测器量子效率测量装置的研究”近日通过专家验收。该项目自主研制的纠缠光子法探测器量子效率绝对定标装置，成功将我国光辐射功率计量的量程能力扩展到了光子水平，为用光子数重新定义国际基本单位之一的坎德拉(cd)量值复现研究奠定了重要基础。 　　该课题的研制成功，缩短了我国与发达国家之间在实现基于量子物理复现光辐射功率基准研究方面的差距 同时为研究量子信息、生物医学、天空探测器、天文物理、环境科学等领域中涉及的光子探测技术提供了光子水平的计量技术保障。 　　据该课题负责人、中国计量院光学所吕亮介绍，课题历时4年，在理论计算的基础上，确定了非线性晶体相位匹配参数，通过相位匹配条件推导出了纠缠光子对的波长及空间分布计算方法 解决了光路设计、光子探测、符合测量系统设计、符合宽度设定、偶然符合测量方法、暗计数测量方法等核心技术问题，在实际装置中实现了Type-I相位匹配相关光子场，并建立了基于相关光子的光电探测器量子效率测量装置，该装置的光电倍增管器件量子效率测量不确定度为0.7%，达到国际领先水平。 　　吕亮介绍，基于自发参量下转换相关光子方法标定光电探测器的方法，除了作为一种崭新的光辐射计量手段外，其本身更具有特殊的技术优势。一是传统上测量探测器量子效率乃至响应度的方法都是依靠标准灯或激光的准确量值来实现。而相关光子法不依赖于任何基标准器，其量值的传递过程，完全实现了无溯源定标。二是该装置可直接应用于生物发光、医疗仪器、激光远距离探测等领域的校准服务，为新技术领域研究提供高准确度的量子计量技术保障。三是研制该装置的相关光子法与量子密钥、可调谐激光等技术直接相关，是单光子源制备的技术基础。

目前的光子检测技术通常依赖于电压或电流幅度的变化，但美国中佛罗里达大学教授德巴希钱达等人开发出了通过调制振荡电路频率来检测光子的方法，为超灵敏的光子检测铺平了道路。这种基于调频的方法可用于创建低成本且高效的非制冷红外探测器和成像系统，广泛应用于医学成像、通信以及安保等领域。相关论文发表于新一期《先进功能材料》杂志。在最新研究中，钱达等人使用了一种特殊的相变材料，当光线照射这种材料时，它会改变形状，产生稳定的电路振荡。当光子撞击材料时，它会改变电路振荡的频率，频率的变化程度取决于光线的强度。钱达解释称，光子的撞击（入射）会调制振荡电路的频率，这种调频方式从本质上可以降低调幅方式固有的噪声，且响应迅速，检测能力更强。其可用于创建低成本、高效的非制冷红外探测器和成像系统，用于遥感、热成像和医学诊断等各种领域。目前，波长范围介于8微米至12微米范围内的长波红外（LWIR）探测在天文学、气候科学、材料分析和安全等领域至关重要。但由于光子能量较低，实现室温LWIR探测一直面临巨大挑战。目前可用的LWIR探测器大致分两种类型：冷却探测器和非冷却探测器。两者各有优劣：冷却探测器具有极好的探测能力，但需要低温冷却，这使其价格昂贵，并限制了其实用性；非制冷探测器可在室温下工作，但热噪声高，探测率低，响应慢。研制出低成本、高灵敏度、快速的红外探测器/相机面临科学和技术方面的挑战。钱达小组开发的最新方法为高灵敏度、非制冷LWIR检测提供了范式转变，有望催生非制冷LWIR检测方案。该方案具有高灵敏度、低成本、容易与电子读出电路集成等优点。

一． 近红外双模式单光子探测器介绍SPD_NIR为900nm至1700 nm的近红外范围内的单光子检测带来了重大突破。 SPD_NIR建立在冷却的InGaAs / InP盖革模式单光子雪崩光电二极管技术上，是NIR单光子检测器的第一代产品，可同时执行同步“门控”（GM）和异步“自由运行”（FR ）检测模式。 用户通过提供的软件界面选择检测模式。冠jun级别的器件具有低至800 cps的超低噪声，高达30％的高校准量子效率，100 ns最小死区，100 MHz外部触发，150 ps的快速成帧分辨率和极低的脉冲 。 当需要光子耦合时，标准等级可提供非常有价值且经济高效的解决方案。基于工业设计，该设备齐全的探测器不需要任何额外的笨重的冷却系统和控制单元。 经过精心设计的紧凑性及其现代接口使SPD_NIR非常易于集成到最苛刻的分析仪器和Quantum系统中。OEM紧凑型 多通道控制器软件界面二． 近红外双模式单光子探测器原理TPS_1550_type_II是基于远程波长自发下变频的双光子源。TPS_1550_type_II采用波导周期性极化铌酸锂(WG-ppln)晶体，用于产生光子对。波导- ppln的转换效率比任何块状晶体都高2到3个数量级，并确保与单模光纤的高效耦合。0型和II型双光子的产生三． 近红外双模式单光子探测器应用特点特点： ▪ 自由模式 & 门模式▪ 集成电子计数▪ 校准后 QE可达 30%▪ TTL和NIM信号兼容▪ 暗记数 ▪ 盖革模式激光雷达▪ 量子密钥分发▪ 高分辨率OTDR▪ 光子源特性▪ FLIM 成像▪ 符合测试▪ 光纤传感四． 近红外双模式单光子探测器技术规格五． Aura 介绍AUREA Technology是法国一家知名的探测器供应商，公司致力于尖端技术的研发，基于先进的单光子雪崩光电二极管，超快激光二极管和快速定时电子设备，设计和制造了新一代高性能，功能齐全的近红外探测器。作为全球技术领导者之一，AUREA技术提供盖革模式单光子计数，皮秒激光源，快速时间关联和光纤传感仪器。此外，AUREA Technology直接或通过其在北美，欧洲和亚洲的专业分销渠道为200多个全球客户提供一流的专业支持。并与客户紧密合作，以应对当今和未来在量子安全，生命科学，纳米技术，汽车，医疗和国防领域的挑战。昊量光电作为法国AUREA公司在中国区域的独家代理商，全权负责法国Aurea公司在中国的销售、售后与技术支持工作。AUREA技术提供了新一代的光学仪器，使科学家和工程师实现卓越的测量结果。奥瑞亚科技与全球的客户和合作伙伴紧密合作，共同应对量子光学、生命科学、纳米技术、化学、生物医学、航空和半导体等行业的当前和未来挑战双光子是展示量子物理原理的关键元素，并实现新的量子应用。例如，双光子使量子密钥分发技术得以发展，以确保数百公里范围内的数据网络安全。在生物成像应用中，双光子光源产生原始的无色散测量。 更多详情请联系昊量光电/欢迎直接联系昊量光电关于昊量光电：上海昊量光电设备有限公司是光电产品专业代理商，产品包括各类激光器、光电调制器、光学测量设备、光学元件等，涉及应用涵盖了材料加工、光通讯、生物医疗、科学研究、国防、量子光学、生物显微、物联传感、激光制造等；可为客户提供完整的设备安装，培训，硬件开发，软件开发，系统集成等服务。

记者近日获悉，中科院上海应用物理所在国内首次研制成功新一代多功能核探针信号探测与数据获取系统。项目组负责人李晓林介绍，“该系统具有全元素分析、三维成像和微器件制作等三大功能”，可在中科院核分析技术重点实验室的扫描核探针上，同时开展微束质子激发X射线荧光分析、卢瑟福背散射、质子激发伽马射线分析、弹性反冲分析和扫描透射离子显微成像等分析以及质子束刻写微器件加工。 　　他们研制了4LB-I多站多参量数据采集与束流扫描系统，拥有自主知识产权，解决了扫描核探针多站多参量数据采集与束流扫描这一关键核心系统长期依赖国外进口的问题。

通过开发一系列X射线光子计数型HPC探测器，来自捷克的ADVACAM团队积累了大量科研及工业领域的应用经验。探索的脚步从未停止，通过不断开发新的成像解决方案，ADVACAM探测器的能力得到不断提升。例如，WidePIX系列探测器就很好的展现了团队的创新能力。新一代的widepix探测器可广泛用于各行各业，包括矿物分析、临床前医学测试、安检、食品检测、艺术品检测等。WidePIX F：世界上最快的高分辨率工业相机基于光子计数技术，WidePIX F光谱相机拥有颠覆性的X射线成像技术，是目前处于世界领先级别的高性能工业相机。它进一步优化、提升了快速移动物体的扫描能力，是进行矿物分析，矿石分选到食品检测，临床前医学，安检或任何带有传送带系统应用的理想工具。分辨率：55微米-比目前采矿作业中常规使用的系统高20倍。探测速度：高达5米/秒 -食品检查的标准速度约为20厘米/秒，这意味着在同样的时间内，WidePIX F可以比常规方案多扫描25倍的材料。颜色/材料灵敏度：提高灵敏度对于矿石分选至关重要，请参考以下应用。MinningWidePIX可直接观察到矿石的内部结构并区分有价值的矿石和废石。使用WidePIX高分辨成像探测器，矿石通常呈现出微粒或脉络状的典型结构。由于该探测器具有多光谱高灵敏度的特性，可以通过图像中采集到的不同颜色来区分各类矿石。欧洲X-MINE项目Advacam为欧洲采矿项目X-MINE定制光子计数型X射线探测器WidePIX 1X30的结果表明，WidePIX探测器甚至可以分选铜矿石，这是传统的成像系统无法实现的。MedicineWidePIX L探测器还可用于非侵入式医学成像。例如，我们可以制作活体小老鼠的实时X射线影像，观察心跳，所有行为不会对小动物造成任何伤害。Others超快WidePIX探测器，可以在设备保持高速运行的同时（例如发动机，涡轮机等），对快速移动的物体进行X射线检测。Advacam可提供不同规格尺寸的光子计数型X射线探测器，其产品线包括WidePIX系列、MiniPIX系列及AdvaPIX系列，除标准尺寸外也可根据需求定制。相关产品阅读：最新到货—超高性价比教育版辐射粒子探测器MiniPIX EDU来咯！Advacam新品|Widepix 2(1)x10-MPX3探测器：双读出网口，170帧/sADVACAM再添新成员，MiniPIX TPIX3即将面世！ADVACAM辐射检测相机 -应用于粒子追迹Advacam同NASA（美国航空航天局）及ESA（欧洲航空航天局）保持很好的项目合作关系， 其产品及方案也应用于航空航天领域。目前Advacam已将其探测器应用到了多个项目中。相关应用案例：探寻宇宙奥秘的脚步从未停歇，ADVACAM参与研发项目合辑 关于Advacam公司最新合作项目：搭载Minipix探测器，可搜寻辐射的辐射探测无人机使用Widepix 1x5 MPX3 CdTe探测器进行X射线谱学成像Minipix探测器用于NASA未来项目辐射剂量监测

中红外（2.5-25 μm）波段能够覆盖复杂分子的振动和转动能级跃迁，揭示多种分子的基础吸收带和复杂化合物独特的光谱特征。因此，高效分析工具——超灵敏中红外光谱探测，成为智能生化传感、新兴材料研究、环境气体监测、高精度医学层析成像等领域的重要测量手段。近年来，随着非线性频率上转换技术的进步，基于频率上转换的中红外光谱探测技术表现出显著的科研潜力。该技术利用强泵浦光场作用于非线性光学材料，将中红外光子耦合转换至近红外或可见光波段进行探测，从而规避了现有中红外探测器噪声大的不足，成为了一种有效的中红外直接光谱探测的替代方案，有望在中红外光谱探测灵敏度、探测效率、响应速度、成本效益等方面取得重要突破。现有对中红外光谱探测系统的研究成果表明，进一步扩大中红外频率上转换技术的超灵敏、宽频段的优势，可使其更广泛适用医学、生物、国防等领域的应用。然而，基于多种非线性光学材料的宽带中红外频率上转换系统往往需要强泵浦场来提升宽带转换效率，且系统在短波泵浦模式下工作，强泵浦场导致的非线性参量噪声将覆盖中红外波段，使得实现超灵敏的宽带中红外光谱探测极具挑战。为解决上述问题，华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室武愕、陈昱、蔡羽洁等研究团队基于非简并光子对的时间-光谱量子关联技术，提出了一种低功耗、强鲁棒性的高灵敏中红外单光子光谱探测方案，实验验证了单光子水平光子通量下的中红外样品光谱测量。相关研究成果发表于Photonics Research 2022年第11期。该文章报道了一种极低光子通量条件下的中红外上转换光谱测量方案。该方案利用结合同步频率上转换技术的非简并关联光子、对时间-光谱量子关联特性实现了单光子水平的中红外上转换光谱探测，降低了强泵浦非线性噪声和环境噪声对中红外光谱测量的影响，大幅度提高单光子水平下的中红外光谱测量灵敏度和鲁棒性。图（a）展示了基于时间-光谱量子关联的宽带中红外单光子上转换光谱探测系统光路图。利用啁啾极化铌酸锂晶体中的非线性过程，自发参量下转换产生非简并宽频带的关联光子对，光子对产生率6.76×106 counts s-1 mW-1。其中，中红外信号光子覆盖3.14-3.80 μm中红外波段，提供了大于660 nm的光谱探测波长窗口。图（a）单光子频率上转换量子光谱系统图；（b）38 μm厚聚苯乙烯薄膜透射光谱实验基于同步脉冲泵浦技术实现了中红外信号光子的非线性频率上转换，验证了中红外上转换光子（0.78-0.81 μm）与共轭的近红外预报光子之间的非经典相关性得以保留，展示了基于时间-光谱量子关联的中红外单光子上转换光谱测量的可行性。利用该系统对38 μm厚的聚苯乙烯样品进行透射光谱的测量，如图（b）所示。入射样品的中红外光子通量低至每脉冲0.09光子。实验表明，中红外单光子上转换光谱与傅里叶变换红外光谱仪（FTIR）的测量结果吻合，系统的光谱分辨率约为11.4 nm（10.5 cm−1）。相比于传统FTIR光谱探测方案，基于时间-光谱量子关联技术的宽带中红外单光子上转换光谱系统，既能够利用光子对的时间关联、频率关联量子特性降低频率上转换过程中多种噪声的影响，将中红外光谱测量灵敏度推进至单光子水平；又能使单光子探测器和单色仪等元件工作在其最优的工作波段，无需受待测样品特征波长的限制，拓展了系统的应用场景。系统高灵敏、低噪声、强鲁棒性、结构简单的优势，为光敏生化样品的中红外光谱测量提供了新的技术方案。后续将进一步开展更宽中红外带宽、更高灵敏度、更高信噪比的上转换光谱成像研究。

随着科技的突飞猛进，我们逐渐揭开了光子的神秘面纱。由于光子的微弱特性，直接观测和探测它是一项巨大的挑战。因此，研发出能够探测单个光子的探测器成为了科学家们追求的重要目标。市面上已经有多种单光子探测器，比如光电倍增管、光子计数探头、MPPC和SPAD等。它们各有千秋，但要说到单光子探测的顶尖高手，那非光电倍增管莫属。那么，这些单光子探测器是如何工作的呢？接下来，让我们一一揭开它们的神秘面纱！01 光电倍增管光电倍增管的工作原理如下图所示：当单个光子到达阴极面的时候，由于光电效应会产生光电子，产生的光电子在聚焦电场的作用下进入倍增级实现连续的倍增，从而实现电信号的连续放大，最后通过阳极输出，这个过程就实现了单光子信号的探测。图1 端窗型光电倍增管结构02 光子计数探头除了光电倍增管裸管，也有光电倍增管模块能做到单光子探测，也被称之为光子计数探头。光子计数探头是在能够做单光子探测的光电倍增管的基础上增加了如下的信号处理电路，可以将单光子的输出信号转换为TTL 信号输出，通过对TTL信号进行计数，就可以得到光子数量，方便实际测试。图2 光子信号处理电路03 多像素光子计数器（MPPC）除了上面的真空电子管类型的光子计数探测器之外，目前半导体器件也能够进行光子计数，常见的就是多像素光子计数器，滨松也称之为MPPC，硅光电倍增管。其中，MPPC是一种由多个工作在盖革模式的APD组成的光子计数型器件，其中APD（雪崩光电二极管）是一种具有高速度、高灵敏度的光电二极管，当加有一定的反向偏压后，它就能够对光电流进行雪崩放大。而当APD的反向偏压高于击穿电压时，内部电场就会变强，光电流则会获得105～106的增益，这种工作模式就叫APD的“盖革模式”。在盖革模式下，光生载流子通过倍增就会产生一个大的光脉冲，而通过对这个脉冲的检测，就可以检测到单光子，实现单光子探测！图3 MPPC输出示意图04 单光子雪崩光电二极管（SPAD）除了MPPC之外，半导体探测器中单光子雪崩光电二极管也能进行单光子探测，我们称之为SPAD。SPAD可以理解为它是由单个MPPC像素形成的探测器，它只有一个像素点，也就是只有一个能工作在盖革模式下的APD，所以它无法反映光强度的变化，只能是对光的有无做出反应。而MPPC由于是多个像素的阵列，我们可以根据输出信号的幅度来判断光信号的强度。但是SPAD也能做到单光子的探测。05 光电倍增管单光子探测优势通过以上介绍我们可以看到，目前单光子探测器主要分为真空电子管和半导体探测器两个类型，他们都能实现单光子的探测，那么光电倍增管的优势在哪呢？光敏面积光敏面积是单光子探测中比较关键的一点。相对来说，面积越大，能够探测到的光子数也就越多，同时前端的光路也会相对比较简单，不需要复杂的聚焦系统。由于光电倍增管是真空电子管，我们是可以通过控制阴极面积的大小来决定探测器的光敏区域。目前滨松最大的光电倍增管阴极面直径能做到20英寸，光子计数探头模块阴极面积最大的直径在25毫米，能够满足不同光斑大小的探测需求。但是对于MPPC来讲，由于面积大小与其性能有直接联系，比如，暗计数率同光敏面积成正比，面积的增加会导致暗计数率的增加。由于半导体的固有热噪声较大，暗计数会随着面积的增加进一步导致波形堆叠，难以对单光子信号进行分析。此外，面积越大，寄生电容越大，影响MPPC的响应速度。暗计数暗计数是指探测器在没有光子进入的时候，探测器本身的信号输出。其中光电倍增管是真空电子管器件，噪声的主要来源是阴极面的热电子发射，暗计数的值大概在百个级别，常见的光子计数探测器H10682-110，典型的暗计数在50 cps，最大值在100 cps。而MPPC和SPAD是半导体探测器，不仅光子可以产生载流子，热电子也会产生载流子，热电子生成的载流子也具有单光子水平的信号电平，并且暗计数的水平明显高于光电倍增管的暗计数，暗计数的值大概上千，常见的MPPC光子计数模块C13366-1350GD，典型的暗计数在2.5 kcps，最大值在7 kcps。弱光信噪比不管是真空电子管还是半导体探测器，他们都能实现单光子探测，但是由于噪声的存在，相同信号的输入，会导致不同的信噪比。相对来说，信噪比越大，说明其中的噪声比较小，能够有效地反映信号的情况。通过对比目前滨松常见的光子计数探头和半导体光子探测器型号在同样光强环境下的信噪比，可以看到，在弱光环境中，光电倍增管具有一个很好的信噪比。图4 不同类型探测器弱光信噪比对比（光子计数探头&MPPC&SPAD）通过以上对比我们可以看到，光电倍增管在单光子探测中，具有面积大、噪声小、信噪比高的特点，所以在弱光探测环境中，我们还是推荐使用光电倍增管！以上就是本期的讲解，如果还有其他问题，欢迎评论区留言或者直接联系相关工程师获取技术支持。相关阅读喏，你要的光电倍增管全解析在这里~想了解光电倍增管原理及应用，这一场报告就够了关于光电倍增管（PMT）模块的选型与使用光电倍增管：光照灵敏度&辐射灵敏度“差别”在哪？光电倍增管动态范围的定义不是？而是？光电倍增管（PMT）分压器设计原理