基于低溫超導(dǎo)技術(shù)的弱光探測.pdf

1、在過去的幾十年中，低溫超導(dǎo)弱光探測技術(shù)一直在暗物質(zhì)探測，宇宙背景輻射，光量子信息處理以及量子光學(xué)等領(lǐng)域中受到廣泛關(guān)注。由于這類探測器都是工作在低于1K的溫區(qū)內(nèi)，對比普通的半導(dǎo)體光子探測器（如光電倍增管及雪崩光電二極管）而言，它們以其獨有的高探測靈敏度，低背景噪聲，低暗記數(shù)率以及較快的信號響應(yīng)速度等特點成為了光子探測器中的佼佼者。除此之外，超導(dǎo)弱光探測器還展現(xiàn)出了對不同波段入射光信號的廣泛探測能力，例如通過使用不同材料的超導(dǎo)金屬薄膜作為探

2、測器件，可以實現(xiàn)對亞毫米波段到X射線范圍內(nèi)的光信號響應(yīng)。在美國NASA，NIST等實驗組中，超導(dǎo)薄膜探測器目前已經(jīng)成功實現(xiàn)了對單個入射光子信號的快速響應(yīng)，并具備對0-，1-，2-乃至最多8個同時入射光子數(shù)目的分辨能力，由此可以試想，如果將這種探測器件制備成大陣列結(jié)構(gòu)（例如幾百上千個單個探測器集成在一起），將會對未來的宇宙起源探究，量子保密通訊，量子密鑰分發(fā)等領(lǐng)域帶來怎樣的巨大變革。
　　本文將主要介紹兩種基于超導(dǎo)薄膜結(jié)構(gòu)的低溫弱光

3、探測技術(shù):由熱響應(yīng)引起膜片電阻發(fā)生劇烈變化從而產(chǎn)生可觀測電流信號的基于超導(dǎo)邊界轉(zhuǎn)變傳感器(Transition-Edge Sensor,TES)的探測技術(shù)，以及由熱響應(yīng)引起諧振特性變化從而產(chǎn)生可觀測電壓信號的基于超導(dǎo)共面波導(dǎo)諧振器（Coplanar Waveguide Resonator,CPW）的探測技術(shù)。隨后文章對兩種探測器的測試結(jié)果進行了詳細討論，并著重介紹利用一個我們自行設(shè)計并成功制備的四分之一波長鈮膜CPW諧振器，實現(xiàn)對155

4、0nm通信波段最低35pw弱光入射信號的響應(yīng)。
　　文章的具體結(jié)構(gòu)為:第一章，簡要回顧低溫超導(dǎo)的一些背景理論知識，包括低溫超導(dǎo)電性的起源及特性，BCS理論以及Ginzburg-Landau理論，并簡要介紹低溫超導(dǎo)探測器在天文學(xué)不同波段中的一些實際應(yīng)用。
　　接著在第二章中，介紹將低溫超導(dǎo)薄膜應(yīng)用于單光子探測中的一些主要技術(shù)指標:例如光探測效率，死時間，暗記數(shù)率，響應(yīng)速度等，并討論對比超導(dǎo)探測器與傳統(tǒng)半導(dǎo)體探測器之間的優(yōu)缺點，

5、解釋選擇超導(dǎo)探測器作為本課題中弱光探測器的理由。
　　第三章的主要內(nèi)容為系統(tǒng)描述基于邊界轉(zhuǎn)變傳感技術(shù)弱光探測器(TES)的相關(guān)知識，包括其基本的物理原理，工作原理，工作條件，對入射光子信號的探測方法，后續(xù)讀出電路，噪聲分析等內(nèi)容，并簡要討論了在我們實驗室中利用現(xiàn)有低溫平臺對一些制備不是很成功的鎢膜TES進行的IV曲線四端子測量結(jié)果。
　　第四章中我們將介紹一些基于微波諧振器的背景理論知識，隨后討論利用超導(dǎo)共面波導(dǎo)諧振器作為弱

6、光探測器(CPW)的工作原理，后續(xù)讀出電路。接著深入討論了在低溫環(huán)境下會對CPW微波傳輸特性造成影響的兩個重要理論:由超導(dǎo)BCS理論引入的Marttis-Bardeen理論(MBT)和由存在于超導(dǎo)金屬膜表面氧化層引起的二能級系統(tǒng)理論(Two-level-system，TLS)。
　　在第五章中，主要介紹了為低溫實驗提供穩(wěn)定環(huán)境的無液氦稀釋制冷機的工作原理和主要組成部件，以及如何利用該制冷機來搭建兩套不同的信號測量系統(tǒng):一套為低頻信

7、號線路，用于測量TES超導(dǎo)特性的I-V曲線;另一套為高頻線路，用于測量CPW的微波傳輸特性。隨后還簡要介紹了用來將光信號引入至制冷機內(nèi)部的光纖線路，通過這條線路，我們才可以實現(xiàn)635nm紅光及通信波段1550nm的弱光信號直接穩(wěn)定的照射于CPW表面，并測試了其對弱光信號的極限響應(yīng)。最后簡單總結(jié)了制備160nm厚四分之一波長鈮膜超導(dǎo)CPW諧振器的主要工藝步驟。
　　在介紹完低溫測試平臺及線路后，在第六章中我們討論了對CPW傳輸特性測

8、量的一些實驗結(jié)果。其中主要研究了工作溫度對諧振特性曲線的影響，例如諧振器諧振峰的中心頻率(f0)隨環(huán)境溫度的變化關(guān)系以及諧振器品質(zhì)因數(shù)（Q值）隨溫度的變化關(guān)系。在上述實驗過程中我們發(fā)現(xiàn)了一個與MBT理論預(yù)測相違背的結(jié)果，根據(jù)MBT理論，升高的環(huán)境溫度會使超導(dǎo)諧振器的中心諧振頻率減小，發(fā)生“紅移”現(xiàn)象。而在我們實驗中卻觀測到了明顯的諧振中心頻率隨溫度升高而增大的（“藍移”）現(xiàn)象。運用之前提到的TLS理論，我們成功對上述的反常現(xiàn)象進行了解釋