南京大学电子学院研究成功超导单探测器光谱仪

发布时间:2021-11-25浏览次数:10

      光谱学主要研究光和物质之间的相互作用与波长之间的关系,广泛应用于基础研究和工程技术的各个方面。传统的光谱仪都需要一些色散或干涉元件,结构复杂、制备困难、价格比较昂贵,而且光谱通道数有限。另一方面,单光子探测器的研究近年来也十分受到重视,尤其是超导纳米线单光子探测器 (SNSPD) 是一个很有前途的选择,其光谱响应范围宽(从紫外线到中红外)、量子效率高、时间抖动小、计数速率高、暗计数低,还可以与纳米光电路实现片上集成。但是,到目前为止,单光子探测器仅用来记录光子的有无和多少,并没有关心入射光子的波长特性。

1 超导纳米线单探测器光谱仪概念图

      南京大学吴培亨院士团队首次在两者的结合上取得突破,他们利用超导纳米线单光子探测器固有的非线性光谱调制特性,结合计算光谱仪方法,实现了单探测器光谱仪(single-detector spectrometer, SDS)。这是一种最简化的光谱仪,摆脱了对光学分光器件的需求,通过编程探测器测量过程并结合计算重构算法,就能够对入射光谱进行分辨。实验演示了从660nm1900nm的宽带测量能力,并在通信波段实现了优于10nm的光谱分辨率。同时,该团队还将激光雷达同单探测器光谱仪结合,演示了多光谱激光雷达功能。


2 将超导纳米线单探测器光谱仪方法应用至多光谱单光子激光雷达,在获得三维图像的同时,实现了观测目标的光谱测量。

      该工作为开启SNSPD在光谱测量中的应用提供了一条新的实现途径。相关研究工作以“A single-detector spectrometer using a superconducting nanowire”为题发表在国际著名期刊《Nano Letters(Impact factor: 11.189 )[https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03393]。审稿人称这是一个将SNSPD内禀特性进行应用的巧妙工作(“This is a very clever application of the SNPSD's intrinsic current-bias vs responsivity curve to extract additional information from incoming photons.”)。光谱仪的灵敏度主要取决于其中的探测器。结合高性能的SNSPD,这种光谱仪将在极端弱光环境下发挥着重要的作用,例如生物荧光成像、激光光谱雷达和天文观测。

      威斯尼斯人老品牌博士生孔令东为文章第一作,赵清源教授和陈健教授为论文的通讯作者。涂学凑高工、张蜡宝教授、贾小氢教授和康琳教授协助探测器方面的制备,物理学院吴兴龙教授给予论文修改和数据分析上的大力帮助,吴培亨院士对本工作进行深入指导。该项研究得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、中央高校等基金项目的资助。此项研究工作还得到海外高层次人才计划(青年),江苏省双创、江苏高校优势学科建设工程,江苏省青蓝工程,江苏省电磁波特征信息调控技术重点实验室、紫金山网络通信与安全实验室的资助。


论文链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c03393