中國科大研制出高性能紫外單光子探測器實現遠程臭氧濃度監測

記者26日從中國科學技術大學了解到，該校張軍等人聯合南京大學陸海、張榮團隊通過設計制備單光子雪崩光電二極管，發展主動淬滅主動恢復讀出電路技術，研制出具有實用價值的紫外半導體單光子探測器。研究團隊利用該探測器首次實現了單光子差分吸收臭氧激光雷達系統，并實現1—3.5公里高度范圍內的臭氧濃度監測。相關研究成果日前發表在國際學術期刊《應用物理快報》上。

紫外單光子探測技術在大氣環境監測、尾焰探測、電弧檢測和火災預警等應用場景中發揮著重要作用。寬禁帶半導體材料具有熱導率高、抗輻射能力強、電子飽和漂移速度高以及性能穩定等特點，在研制新型紫外半導體單光子探測器方面具有顯著的材料性能優勢。然而，長期以來基于寬禁帶半導體材料的單光子探測器性能指標差，特別是探測效率極低、暗計數率極高，使得該類型單光子探測器不具有實用價值。

基于前期研究基礎，研究團隊在單光子探測器性能指標方面持續開展攻關。一方面，研究團隊通過迭代優化單光子雪崩光電二極管結構和工藝提升了器件的單光子探測效率；另一方面，研究團隊針對單光子雪崩光電二極管器件的特征，發展了新型主動淬滅主動恢復讀出電路，在有效抑制探測器后脈沖概率的同時，顯著提升了飽和計數率，基本滿足了紫外單光子激光雷達應用對單光子探測器的性能需求。

研究團隊利用該探測器首次在單光子差分吸收臭氧激光雷達系統中開展相關應用。該激光雷達系統將289納米和316納米的脈沖激光同時垂直發射到大氣中，由于臭氧分子對兩種波長激光的吸收系數不同，實驗中將回波信號分為兩路，分別用傳統的光電倍增管和新型單光子探測器進行探測和數據反演。實驗結果表明，在1—3.5公里范圍內使用兩種探測器反演出的臭氧濃度分布高度吻合。

科研人員表示，這項研究工作將為紫外波段單光子激光雷達提供了一種高性能、高環境耐受性的實用化解決方案。

（中國科學技術大學供圖）