高灵敏光子探测新方法研究

发布时间：2019-03-24 11:56

【摘要】：近几个世纪以来,科学家一直在不断追寻光的本质,不管是牛顿所支持的“微粒说”,还是惠更斯所提倡的“波动说”,始终未能揭示光的本质。1905年,受普朗克的启发,年轻的爱因斯坦提出了“光量子(light quantum)”的概念成功解释了光电效应,自此人们才开始意识到光可能同时具有波动和粒子双重特性。爱因斯坦的光量子理论同时也从理论上给出了任何光探测器能够达到的探测能力极限—检测单光子能量。近年来,受光量子信息技术等前沿应用领域的推动,研究高性能的单光子探测器引起了科学家们的广泛兴趣和持续关注。相比于较为成熟的光电倍增管和雪崩击穿二极管,新型的单光子探测技术被不断提出和实现,并有望在不久的将来获得巨大应用。本论文系统研究了一种基于人工量子点调控的共振隧穿二极管(Quantum Dot Resonant Tunneling Diodes, QD-RTDs)新型单光子探测器,利用光生载流子引起量子点中电荷状态的变化,进而触发共振隧穿二极管的隧穿电流来进行单光子探测。相比于现有单光子探测技术,该器件具有极低的暗计数速率和良好的光子探测效率,从而被判定为具有最优性能参数(figures of merit)的单光子探测器。本论文的主要贡献和一些创新工作概况如下：1.利用InAs自组装生长量子点的带间跃迁光子吸收将QD-RTD的探测截止波长从现有的840 nm直接拓展到了1.3μm红外波段,并在77K液氮温度下演示了高灵敏的红外单光子检测能力。目前国际上报道的QD-RTD单光子探测器利用一层临近量子点的GaAs作为光吸收层,所以器件的探测波长就被GaAs的带隙所限制(～840 nm),即只有能量高于GaAs禁带宽度的光子才能够被器件有效吸收及探测。本论文首先提出并研究了另外一种可行的光子吸收模式,即直接利用光子能量激发量子点中的电子带间跃迁吸收,从而演示了同类器件的红外单光子探测能力。2.首次演示了共振隧穿二极管单光子探测器的光子数分辨(Photon-Number-Resolving, PNR) 能力。能够有效识别入射光子数的单光子探测器在线性量子计算及长距离量子通信上具有非常重要的应用价值。而目前也只有为数不多的几款单光子探测器具有光子数分辨能力。自2005年QD-RTD单光子探测技术被提出以来,该类型器件的光子数分辨能力一直没有实现,从而被Nature Photonics综述文章判定为不具备光子数分辨能力。本论文深入研究了器件的量子耦合能态结构并改进了光子探测方法,从而成功的实现了器件对入射光子数的识别能力。3.引入了能够调控量子点电子态的有效重置操作(reset operation),并将QD-RTD的动态探测范围提升了两个量级以上。QD-RTD探测器由于有效吸收面积较小(10μm2),通常在吸收几百个入射光子后就达到了饱和状态,而且这种饱和状态会维持较长时间(至少几个小时以上),即使关闭光源后都无法恢复到初始状态。本论文深入研究了器件的光饱和物理机制,并以此为基础提出了一种简便的器件重置技术,该技术能够周期性的对量子点进行快速电子注入,从而使器件能够在强光照射下保持良好的线性响应。经过验证,器件的动态光强探测能力至少拓展到了104光子/秒以上。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：华东师范大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN15

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本文编号：2446311