南京大學(xué)超導(dǎo)電子學(xué)研究所，繼 2017 年將研制的大口徑超導(dǎo)陣列單光子探測器應(yīng)用于空間碎片探測和 2019 年月地激光測距等驕人成績后，近日超導(dǎo)陣列單光子探測器再立新功。從中國電科十四所某試驗(yàn)外場傳來消息，超導(dǎo)單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對低空大氣層中數(shù)百公里外目標(biāo)的實(shí)時跟蹤探測，展現(xiàn)了超導(dǎo)單光子探測器的強(qiáng)大應(yīng)用潛力。

　　由于光子是光的最小能量單元，具備單光子靈敏度的雷達(dá)系統(tǒng)可將激光雷達(dá)系統(tǒng)的性能發(fā)揮到極致。在單光子激光雷達(dá)系統(tǒng)的研究上，團(tuán)隊(duì)與中國電子科技集團(tuán)公司第十四研究所攜手合作多年。針對低空大氣衰減和湍流等復(fù)雜環(huán)境下，遠(yuǎn)距離目標(biāo)高精度探測難題，團(tuán)隊(duì)為單光子雷達(dá)系統(tǒng)，最新研制了高靈敏、高精度、高速率的超導(dǎo)陣列單光子探測器，并在今年 9 月的外場試驗(yàn)中，大幅度提高系統(tǒng)靈敏度和抗環(huán)境雜散光能力，成功實(shí)現(xiàn)了數(shù)百公里外移動和固定小目標(biāo)的實(shí)時跟蹤探測。圖（1）是單光子激光雷達(dá)探測 170 多公里外山峰的三維重構(gòu)圖像。

　　圖（1）。 遠(yuǎn)距離山坡激光雷達(dá)圖像

　　超導(dǎo)電子學(xué)研究所青年長江學(xué)者張蠟寶教授，博士研究課題就是超導(dǎo)單光子探測技術(shù)，在吳培亨院士的指導(dǎo)下與團(tuán)隊(duì)成員一起攻克了探測器芯片和系統(tǒng)的全部關(guān)鍵技術(shù)，于 2008 年研制出我國第一個超導(dǎo)單光子探測器。經(jīng)過多年的不懈努力，探測器的性能指標(biāo)不斷提高，從單元器件到陣列芯片，光學(xué)口徑從 9 微米到 300 微米，儀器系統(tǒng)的整體技術(shù)水平達(dá)到國際先進(jìn)，部分指標(biāo)達(dá)到國際領(lǐng)先。

　　2015 年以來，針對國家戰(zhàn)略需求，與云南天文臺等單位合作，將大口徑超導(dǎo)陣列單光子探測系統(tǒng)應(yīng)用到空間碎片的探測研究中，成功探測到 2 千公里軌道上，0.04 平米的空間碎片，填補(bǔ)了我國小空間碎片高精度探測的空白。2017 年，利用儀器的光子數(shù)分辨功能，通過光子編碼技術(shù)，大幅度提高了系統(tǒng)的抗背景光干擾能力，解決了復(fù)雜氣象環(huán)境下、長距離目標(biāo)探測難題。在黃海海域的海面目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)中，實(shí)現(xiàn)了 70 公里范圍內(nèi)的穿透云、霧等測量。2018 年 Science 綜述論文（Science 17 Aug 2018: Vol. 361, Issue 6403, eaat2298, DOI: 10.1126/science.aat2298） 在引用中做了這樣評述：（該工作）證實(shí)在有霧條件下的長距離光子探測的可行性。

　　2019 年，與中山大學(xué)等單位合作，首次將高時間精度超導(dǎo)陣列單光子探測器用于 40 萬公里的地月激光測距中，成功測得了月球表面上五組反射鏡的回波信號，且精度達(dá)到國際先進(jìn)水平。2020 年初，團(tuán)隊(duì)與中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院合作，基于該高精度超導(dǎo)單光子探測器研制出近紅外二區(qū)熒光壽命共聚焦成像系統(tǒng)，首次在近紅外二區(qū)波段實(shí)現(xiàn)三維多色熒光壽命成像。此外，團(tuán)隊(duì)研制的超導(dǎo)單光子探測器還在衛(wèi)星激光測距、量子信息、激光通信等多個領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用。

　　圖 （2）。 南京大學(xué)研制陣列超導(dǎo)單光子探測器芯片

　　文章來源：南京大學(xué)官網(wǎng)