中国科大研制出高性能紫外单光子探测器实现远程臭氧浓度监测

记者26日从中国科学技术大学了解到，该校张军等人联合南京大学陆海、张荣团队通过设计制备单光子雪崩光电二极管，发展主动淬灭主动恢复读出电路技术，研制出具有实用价值的紫外半导体单光子探测器。研究团队利用该探测器首次实现了单光子差分吸收臭氧激光雷达系统，并实现1—3.5公里高度范围内的臭氧浓度监测。相关研究成果日前发表在国际学术期刊《应用物理快报》上。

紫外单光子探测技术在大气环境监测、尾焰探测、电弧检测和火灾预警等应用场景中发挥着重要作用。宽禁带半导体材料具有热导率高、抗辐射能力强、电子饱和漂移速度高以及性能稳定等特点，在研制新型紫外半导体单光子探测器方面具有显著的材料性能优势。然而，长期以来基于宽禁带半导体材料的单光子探测器性能指标差，特别是探测效率极低、暗计数率极高，使得该类型单光子探测器不具有实用价值。

基于前期研究基础，研究团队在单光子探测器性能指标方面持续开展攻关。一方面，研究团队通过迭代优化单光子雪崩光电二极管结构和工艺提升了器件的单光子探测效率；另一方面，研究团队针对单光子雪崩光电二极管器件的特征，发展了新型主动淬灭主动恢复读出电路，在有效抑制探测器后脉冲概率的同时，显著提升了饱和计数率，基本满足了紫外单光子激光雷达应用对单光子探测器的性能需求。

研究团队利用该探测器首次在单光子差分吸收臭氧激光雷达系统中开展相关应用。该激光雷达系统将289纳米和316纳米的脉冲激光同时垂直发射到大气中，由于臭氧分子对两种波长激光的吸收系数不同，实验中将回波信号分为两路，分别用传统的光电倍增管和新型单光子探测器进行探测和数据反演。实验结果表明，在1—3.5公里范围内使用两种探测器反演出的臭氧浓度分布高度吻合。

科研人员表示，这项研究工作将为紫外波段单光子激光雷达提供了一种高性能、高环境耐受性的实用化解决方案。

（中国科学技术大学供图）