1.本课题研究的目的和意义；随着近代科学技术的发展，人们对极微弱光的信息检测产生越来越浓厚的兴趣。

单光子探测技术再高分辨率的光谱测量，非破坏性物质分析，高速现象检测，精密分析，大气测污，生物发光，放射探测，高能物理，天文测光，光时域反射，量子密钥分发系统等领域有着广泛应用。

它已经成为各个发达国家光电子学界研究的课题之一。

对于远距离卫星可收到数个至数百个光电子的回波，而更远的星球反射的回波还不到一个光子。

面对如此微弱的回波信号必须采用高灵敏度的可门控探测器。

如致冷的单光子雪崩二极管(C-SPAD)或微通道板增强型光电倍增管（MCP-PTM）。

事实上，即便如此，信号依然淹没在噪声中，只有采取了门控措施才能实现信号的分离。

所谓弱光，是指光电流强度比光电倍增管本身在室温下的热噪声水平（10-14W）还要低的光。

因此，用通常的直流测量方法，已不能把淹没在噪声中的信号提取出来。

近年来，由于锁定放大器在信号频带很宽或噪声与信号有同样频谱时就无能为力了，而且它还受模拟积分电路飘移的影响，因此锁定放大器在弱光测量受到一定的限制。

2.国内外研究现状；我国先锋科技公司生产的SR400是一个双通道门光子计数器，它提供一个方便、综合的方法来进行光子计数。

从而避免了老式复杂的技术系统，而SR400是将混合匹配放大器、鉴别器、门发动器和光子计数模块综合到一起。

SR400双通道光子计数器的计数频率高达200MHz，5ns的脉冲分辨率，门和连续两种模式，内置鉴别器，GPIB和RS232接口。

先锋科技公司提供一整套的光子计数方案，并有多种计数模块进行选择。

加拿大Excelitas公司生产的C30902SH系列单光子计数器可用于线性模式（VR<VBR）,也可以工作在盖革模式（Geiger mode）（VR>VBR）。

该系列光子计数器被广泛用于生物、医学、粒度分析等超灵敏光子测量领域。

C30902SH-TC（一级制冷）及C30902SH-DTC(二级制冷)单光子计数器使用TE Cooler实现精确的温度温控，极大的改善了噪声和相应度。

并保证在很宽的工作温度范围里保持恒定的量子效率。

法国Aurea Technology公司生产的SPD_A单光子计数器（单光子探测器）是一款先进的一体式设计超低噪声单光子计数器，目前世界上灵敏度最高单光子计数器。

SPD_A单光子计数器的工作波长范围900~1700nm。

能够满足尖端科学和工业应用要求。

SPD_A 单光子计数器使用一款高灵敏度密度盖革模式雪崩二极（Geiger-mode APD）, 量子效率高达25%、并保证了极低的暗噪声和timing jitter。

归功于突出的探测灵敏度和相应速度，SPD_A 单光子计数器提供相对传统技术（近红外光电倍增管、微通道板）更优异的性能。

此外，SPD_A单光子计数器采用提供即插即用USB 接口配置以及用户友好的图形界面，使调节量子效率效率、dead time和tune the gate变得更为简单。

3.拟采取的研究路线；1.了解光量子计数器的发展历史、应用现状，并分析本课题的来源及研究意义。

2.学习光量子计数器的总体框架构成、工作原理。

对该系统有个总体的了解，便于后续工作的进行。

3.了解光量子计数器系统的硬件构成。

具体研究各个模块的芯片的选取，芯片的特点以及部分电路的构成。

4.重点讨论光子计数器的设计过程，难点及最终设计方案。

5.光量子计数器系统的软件设计及调试。

给出软件流程，简要介绍了系统软件的实现方案，最后进行系统的调试及参数测试。

6.结论与展望。

进行总结，讨论光量子计数器系统的深空中探测及应用。

4.进度安排第1-4周：查找中外文献资料，收集与论文有关的数据与信息，构思研究方法，完成开题报告。

第5-8周：对构思方案进行具体设计与安排，与导师交流，对方案进行总体论述。

第9-12周：根据收集的资料，交给指导老师初稿，老师指导，修改，完成二稿。

第13-14周：根据老师的指导，完成二稿，提交，并由老师再次修改，完成论文三稿。

第15周：完成论文定稿与装订第16周：准备毕业论文答辩文献综述:摘要：近年来，随着量子信息学科的发展，单光子探测技术在高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、量子密钥分发系统等领域有着广泛的应用。

由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。

相比于传统的模拟信号测量方法，单光子探测器对于工作电压及环境温度的微小变化的变化不敏感，具有更高的稳定性和信噪比。

关键词：光子计数器光电探测测距单光子探测器1.单光子探测器(SPCM)的噪声主要有两类：一类是由于热噪声和隧穿效应引起的暗计数；另一类是由于俘获载流子的再释放引起的后脉冲。

暗计数率基本上与入射光强无关，而后脉冲的强度则随着入射光强的增大而增大。

在计数率相对较大的实验中，如量子保密通讯中，暗计数对于测量的影响变得很微弱，如何减小后脉冲的影响就变得尤其重要。

通常采用的方法为门控模式测量，即在光子到达的时才使单光子探测器的工作电压高于雪崩电压。

为了设置合适的门控脉冲宽度，势必要求我们对于后脉冲的强度及时域分布进行深入了解。

后脉冲现象是导致单光子探测噪声的主要来源之一。

在雪崩发生时，雪崩倍增区中的任何缺陷都有可能成为载流子的俘获中心。

当有光子入射单光子探测器时，大量的电荷流过探测器的雪崩倍增区，一些载流子被这些缺陷俘获。

当雪崩被抑制后，这些从缺陷中心释放出的载流子受到电场加速，它们会再次触发雪崩，产生与前一次雪崩脉冲相关联的后脉冲，在没有光子到达时会引起一次误计数。

单光子探测器的后脉冲概率可以表示为不同俘获能级概率的累加。

2.光子计数技术在激光脉冲探测中的应用：无扫描激光大光场照明时目标处的光强甚弱，通常需要加大激光器的功率和提高探测器的灵敏度。

从探测技术角度探讨提高系统探测灵敏度的技术途径，即将光子计数技术应用于激光脉冲探测系统。

光子计数探测的动态范围为10-16到10−11W，回波以离散光子流的形式照射在探测器的光敏面上。

当接收系统检测模超过20 时，光电子统计近似服从泊松分布规律。

对于典型的激光脉冲探测系统，采用最大似然方法估算出探测阈值，并估算出平均探测时间。

例如，对10−11W回波，估算的积累时间为0.2 ms。

针对脉冲探测情况，采用时间门选通多点采样的数据采集方法和多脉冲预积累相关处理算法。

采样周期与激光脉冲宽度相等，时间门宽稍小于激光重复周期。

根据探测误差概率的需要，采用Monte Carlo 算法估算出探测积累的脉冲数和相关计算的参数。

初步估算探测时间至少在10 ms 量级。

光子计数技术用于激光脉冲探测可以提高探测灵敏度，增大探测距离。

但存在盲区，即近距离回波信号功率较大时，光子计数技术不适用。

光子计数探测的阈值光电子数与回波功率有关，因此，需要预先探测或计算出回波功率。

数值模拟的结果表明，要获得高探测概率，就得采用多脉冲积累检测技术。

对于10 kHz 重复周期的激光探测系统，积累500 个脉冲要耗时50 ms。

3.我国进行月球激光测距的意义：众所周知, 月球上资源丰富, 是人类未来资源和能源的“宝库”。

联合国月球条约规定, 月球不属于任何国家, 但允许各国开发利用, 因此“谁先利用, 谁先获益”。

21 世纪人类探月的总目标是建立月球基地, 开发利用资源、能源和特殊环境, 为人类社会的可持续发展提供长期稳定的支持。

我国进行LLR 对于探测月球和进行深空探测将有着重要意义。

实现中国探月所放置激光反射器月面坐标的确定和探月运载飞行器的激光测距, 在学术上有很高的显示度和代表度, 也是中国探月工程的需要, 它将为一系列的科学研究提供数据, 同时推动我国光电探测技术的发展, 使中国的激光测距进入世界先进行列, 其现实意义非常重要。

月球激光测距(LLR)代表了单光子探测技术的高峰,是国际激光测距界奋斗的目标。

天文观测中常常遇到极微弱光信号的探测问题，望远镜接收到的光信号仅有很少的光子数甚至单光子，需要在噪声远远大于有用信息的不利情况下识别出有用的信号。

受益于当代高科技的迅速发展，人们得以采用多种手段不断提高信号分离和探测能力。

4.目前月球激光测距技术所面临的最大问题:地月间距离的遥远(约为380000km) , 再加上种种原因, 地面测站接收到的从月面激光反射器反射而回的激光光子数太少, 已经达到亚单光子探测的程度。

探月运载飞行器的激光测距, 虽然测程小于地月距离, 但又受到其他条件限制, 如运载飞行器初轨的确定、运载飞行器上激光后向反射器的大小与分布、天空背景对白天测距的影响等, 所以对中国探月激光测距而言, 其难度是不言而喻的。

对于远距离卫星可收到数个至数百个光电子的回波，而月球反射的回波还不到一个光子。

面对如此微弱的回波信号必须采用高灵敏度的可门控探测器。

如致冷的单光子雪崩二极管(C-SPAD)或微通道板增强型光电倍增管（MCP-PTM）。

事实上，即便如此，信号依然淹没在噪声中，只有采取了门控措施才能实现信号的分离。

参考文献：[1] 黄宇红，单光子计数实验系统及其应用，实验科学与技术，2006年2月，第一期[2] 陈锺贤，范韵，赵远，孙秀冬，光子计数技术在激光脉冲探测中的应用，红外与激光工程，第35 卷，增刊[3] 朱丹，生物系统的超微光检测与应用，武汉光电国家实验室5. Cheng-Zhi Peng, Tao Y ang, Xiao-Hui Bao, Jun Zhang, Xian-Min Jin, Fa-Y ong Feng, Bin Y ang, Jian Y ang, Juan Yin, Qiang Zhang, Nan Li, Bao-Li Tian, and Jian-Wei Pan, Experimental free-space distribution of entangled photon pairs over 13 km: towards satellite-based global quantum communication, Phys. Rev. Lett., V ol. 94, No. 15, 150541 (2005)6. Robert G.w.Brown,et.al. C haracterization of Silicon A valanche Photodiodes for Photon Correlation Measurements.1:Passivequenching.1986.APPL. PT.25.41227.宋登元，王小平. APD、PMT及其混合型高灵敏度光电探测器[J].半导体技术. 2000.25（3）.5.8. 梁创，廖静等. 硅雪崩光电二极管单光子探测器[J].光子学报.2000.29（12）.11429. E. Gomez, F. Baumer, A. D. Lange, G. D. Sprouse and L. A. Orozco, Phys. Rev. A, 72, 012502 (2005)英文文献翻译：最近，非破坏性，非侵入性测量利用光正变得越来越普遍在各种领域，包括生物、化学、医学、材料等领域分析、工业仪表和家电。