基于低温超导技术的弱光探测

发布时间：2018-05-07 12:11

本文选题：低温超导 + 弱光信号探测　；参考：《西南交通大学》2014年博士论文

【摘要】：在过去的几十年中,低温超导弱光探测技术一直在暗物质探测,宇宙背景辐射,光量子信息处理以及量子光学等领域中受到广泛关注。由于这类探测器都是工作在低于1K的温区内,对比普通的半导体光子探测器(如光电倍增管及雪崩光电二极管)而言,它们以其独有的高探测灵敏度,低背景噪声,低暗记数率以及较快的信号响应速度等特点成为了光子探测器中的佼佼者。除此之外,超导弱光探测器还展现出了对不同波段入射光信号的广泛探测能力,例如通过使用不同材料的超导金属薄膜作为探测器件,可以实现对亚毫米波段到X射线范围内的光信号响应。在美国NASA, NIST等实验组中,超导薄膜探测器目前已经成功实现了对单个入射光子信号的快速响应,并具备对0-,1-,2-乃至最多8个同时入射光子数目的分辨能力,由此可以试想,如果将这种探测器件制备成大阵列结构(例如几百上千个单个探测器集成在一起),将会对未来的宇宙起源探究,量子保密通讯,量子密钥分发等领域带来怎样的巨大变革。本文将主要介绍两种基于超导薄膜结构的低温弱光探测技术：由热响应引起膜片电阻发生剧烈变化从而产生可观测电流信号的基于超导边界转变传感器(Transition-Edge Sensor, TES)的探测技术,以及由热响应引起谐振特性变化从而产生可观测电压信号的基于超导共面波导谐振器(Coplanar Waveguide Resonator, CPW)的探测技术。随后文章对两种探测器的测试结果进行了详细讨论,并着重介绍利用一个我们自行设计并成功制备的四分之一波长铌膜CPW谐振器,实现对1550nnm通信波段最低35pw弱光入射信号的响应。文章的具体结构为：第一章,简要回顾低温超导的一些背景理论知识,包括低温超导电性的起源及特性,BCS理论以及Ginzburg-Landau理论,并简要介绍低温超导探测器在天文学不同波段中的一些实际应用。接着在第二章中,介绍将低温超导薄膜应用于单光子探测中的一些主要技术指标：例如光探测效率,死时间,暗记数率,响应速度等,并讨论对比超导探测器与传统半导体探测器之间的优缺点,解释选择超导探测器作为本课题中弱光探测器的理由。第三章的主要内容为系统描述基于边界转变传感技术弱光探测器(TES)的相关知识,包括其基本的物理原理,工作原理,工作条件,对入射光子信号的探测方法,后续读出电路,噪声分析等内容,并简要讨论了在我们实验室中利用现有低温平台对一些制备不是很成功的钨膜TES进行的Ⅳ曲线四端子测量结果。第四章中我们将介绍一些基于微波谐振器的背景理论知识,随后讨论利用超导共面波导谐振器作为弱光探测器(CPW)的工作原理,后续读出电路。接着深入讨论了在低温环境下会对CPW微波传输特性造成影响的两个重要理论：由超导BCS理论引入的Marttis-Bardeen理论(MBT)和由存在于超导金属膜表面氧化层引起的二能级系统理论(Two-level-system, TLS)。在第五章中,主要介绍了为低温实验提供稳定环境的无液氦稀释制冷机的工作原理和主要组成部件,以及如何利用该制冷机来搭建两套不同的信号测量系统：一套为低频信号线路,用于测量TES超导特性的Ⅰ-Ⅴ曲线；另一套为高频线路,用于测量CPW的微波传输特性。随后还简要介绍了用来将光信号引入至制冷机内部的光纤线路,通过这条线路,我们才可以实现635nm红光及通信波段1550nm的弱光信号直接稳定的照射于CPW表面,并测试了其对弱光信号的极限响应。最后简单总结了制备160nm厚四分之一波长铌膜超导CPW谐振器的主要工艺步骤。在介绍完低温测试平台及线路后,在第六章中我们讨论了对CPW传输特性测量的一些实验结果。其中主要研究了工作温度对谐振特性曲线的影响,例如谐振器谐振峰的中心频率(f0)随环境温度的变化关系以及谐振器品质因数(Q值)随温度的变化关系。在上述实验过程中我们发现了一个与MBT理论预测相违背的结果,根据MBT理论,升高的环境温度会使超导谐振器的中心谐振频率减小,发生“红移”现象。而在我们实验中却观测到了明显的谐振中心频率随温度升高而增大的(“蓝移”)现象。运用之前提到的TLS理论,我们成功对上述的反常现象进行了解释,并在变化的环境温度(T)对谐振器Q值影响的实验中再次证实了TLS系统的存在。在文章的最后一章中,我们主要介绍了该CPW谐振器对入射635nm及1550nm弱光信号的响应。从测量结果中可以看到：通过测量超导谐振器谐振峰中心频率对不同光照强度的移动大小,我们成功在频域测量中实现了CPW谐振器对635nm及1550nm波长的入射弱光信号最小26pW以及35pW的极限响应。
[Abstract]:In the past few decades , the low temperature superconducting weak light detection technology has been widely concerned in the fields of dark matter detection , cosmic background radiation , optical quantum information processing and quantum optics . The work principle , working conditions , detection methods of incident photon signals , follow - up readout circuits , noise analysis and so on are briefly discussed . In chapter 4 , we introduce some background theory knowledge based on microwave resonators , and then discuss two important theories which influence the microwave transmission characteristics of CPW in low temperature environment . In chapter 5 , the working principle and main components of the liquid helium dilution refrigerator which provides a stable environment for low temperature experiments are mainly introduced , and how to use the refrigerator to build two different signal measurement systems : a set of low frequency signal lines for measuring the I - V curve of TES superconducting characteristics ;
In the last chapter , we discuss the effect of operating temperature on resonance characteristic curve , such as the change of center frequency ( f0 ) of resonator resonant peak with ambient temperature and the change of resonator quality factor ( Q value ) with temperature .

【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TM26

【参考文献】