基于低溫超導(dǎo)技術(shù)的弱光探測(cè).pdf

1、在過去的幾十年中，低溫超導(dǎo)弱光探測(cè)技術(shù)一直在暗物質(zhì)探測(cè)，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(cè)器都是工作在低于1K的溫區(qū)內(nèi)，對(duì)比普通的半導(dǎo)體光子探測(cè)器（如光電倍增管及雪崩光電二極管）而言，它們以其獨(dú)有的高探測(cè)靈敏度，低背景噪聲，低暗記數(shù)率以及較快的信號(hào)響應(yīng)速度等特點(diǎn)成為了光子探測(cè)器中的佼佼者。除此之外，超導(dǎo)弱光探測(cè)器還展現(xiàn)出了對(duì)不同波段入射光信號(hào)的廣泛探測(cè)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(cè)器件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)亞毫米波段到X射線范圍內(nèi)的光信號(hào)響應(yīng)。在美國(guó)NASA，NIST等實(shí)驗(yàn)組中，超導(dǎo)薄膜探測(cè)器目前已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)單個(gè)入射光子信號(hào)的快速響應(yīng)，并具備對(duì)0-，1-，2-乃至最多8個(gè)同時(shí)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(cè)器件制備成大陣列結(jié)構(gòu)（例如幾百上千個(gè)單個(gè)探測(cè)器集成在一起），將會(huì)對(duì)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(cè)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(cè)電流信號(hào)的基于超導(dǎo)邊界轉(zhuǎn)變傳感器(Transition-Edge Sensor,TES)的探測(cè)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(cè)電壓信號(hào)的基于超導(dǎo)共面波導(dǎo)諧振器（Coplanar Waveguide Resonator,CPW）的探測(cè)技術(shù)。隨后文章對(duì)兩種探測(cè)器的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)討論，并著重介紹利用一個(gè)我們自行設(shè)計(jì)并成功制備的四分之一波長(zhǎng)鈮膜CPW諧振器，實(shí)現(xiàn)對(duì)155

4、0nm通信波段最低35pw弱光入射信號(hào)的響應(yīng)。
　　文章的具體結(jié)構(gòu)為:第一章，簡(jiǎn)要回顧低溫超導(dǎo)的一些背景理論知識(shí)，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(jiǎn)要介紹低溫超導(dǎo)探測(cè)器在天文學(xué)不同波段中的一些實(shí)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(cè)中的一些主要技術(shù)指標(biāo):例如光探測(cè)效率，死時(shí)間，暗記數(shù)率，響應(yīng)速度等，并討論對(duì)比超導(dǎo)探測(cè)器與傳統(tǒng)半導(dǎo)體探測(cè)器之間的優(yōu)缺點(diǎn)，

5、解釋選擇超導(dǎo)探測(cè)器作為本課題中弱光探測(cè)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(cè)器(TES)的相關(guān)知識(shí)，包括其基本的物理原理，工作原理，工作條件，對(duì)入射光子信號(hào)的探測(cè)方法，后續(xù)讀出電路，噪聲分析等內(nèi)容，并簡(jiǎn)要討論了在我們實(shí)驗(yàn)室中利用現(xiàn)有低溫平臺(tái)對(duì)一些制備不是很成功的鎢膜TES進(jìn)行的IV曲線四端子測(cè)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(shí)，隨后討論利用超導(dǎo)共面波導(dǎo)諧振器作為弱

6、光探測(cè)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(huì)對(duì)CPW微波傳輸特性造成影響的兩個(gè)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(jí)系統(tǒng)理論(Two-level-system，TLS)。
　　在第五章中，主要介紹了為低溫實(shí)驗(yàn)提供穩(wěn)定環(huán)境的無液氦稀釋制冷機(jī)的工作原理和主要組成部件，以及如何利用該制冷機(jī)來搭建兩套不同的信號(hào)測(cè)量系統(tǒng):一套為低頻信

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

8、量的一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中主要研究了工作溫度對(duì)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(shí)驗(yàn)過程中我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)與MBT理論預(yù)測(cè)相違背的結(jié)果，根據(jù)MBT理論，升高的環(huán)境溫度會(huì)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(shí)驗(yàn)中卻觀測(cè)到了明顯的諧振中心頻率隨溫度升高而增大的（“藍(lán)移”）現(xiàn)象。運(yùn)用之前提到的TLS理論，我們成功對(duì)上述的反?，F(xiàn)象進(jìn)行了解釋