南京大学研发超导单光子探测器实现百里实时跟踪

南京大学超导电子学研究所，继2017年将研制的大口径超导阵列单光子探测器应用于空间碎片探测和2019年月地激光测距等骄人成绩后，近日超导阵列单光子探测器再立新功。从中国电科十四所某试验外场传来消息，超导单光子激光雷达系统，实现了对低空大气层中数百公里外目标的实时跟踪探测，展现了超导单光子探测器的强大应用潜力。

由于光子是光的最小能量单元，具备单光子灵敏度的雷达系统可将激光雷达系统的性能发挥到极致。在单光子激光雷达系统的研究上，团队与中国电子科技集团公司第十四研究所携手合作多年。针对低空大气衰减和湍流等复杂环境下，远距离目标高精度探测难题，团队为单光子雷达系统，最新研制了高灵敏、高精度、高速率的超导阵列单光子探测器，并在今年9月的外场试验中，大幅度提高系统灵敏度和抗环境杂散光能力，成功实现了数百公里外移动和固定小目标的实时跟踪探测。图(1)是单光子激光雷达探测170多公里外山峰的三维重构图像。

图(1) 远距离山坡激光雷达图像

超导电子学研究所青年长江学者张蜡宝教授，博士研究课题就是超导单光子探测技术，在吴培亨院士的指导下与团队成员一起攻克了探测器芯片和系统的全部关键技术，于2008年研制出我国第一个超导单光子探测器。经过多年的不懈努力，探测器的性能指标不断提高，从单元器件到阵列芯片，光学口径从9微米到300微米，仪器系统的整体技术水平达到国际先进，部分指标达到国际领先。

2015年以来，针对国家战略需求，与云南天文台等单位合作，将大口径超导阵列单光子探测系统应用到空间碎片的探测研究中，成功探测到2千公里轨道上，0.04平米的空间碎片，填补了我国小空间碎片高精度探测的空白。2017年，利用仪器的光子数分辨功能，通过光子编码技术，大幅度提高了系统的抗背景光干扰能力，解决了复杂气象环境下、长距离目标探测难题。在黄海海域的海面目标探测实验中，实现了70公里范围内的穿透云、雾等测量。2018年Science综述论文(Science 17 Aug 2018: Vol. 361, Issue 6403, eaat2298, DOI: 10.1126/science.aat2298) 在引用中做了这样评述：(该工作)证实在有雾条件下的长距离光子探测的可行性。

2019年，与中山大学等单位合作，首次将高时间精度超导阵列单光子探测器用于40万公里的地月激光测距中，成功测得了月球表面上五组反射镜的回波信号，且精度达到国际先进水平。2020年初，团队与中国科学院深圳先进技术研究院合作，基于该高精度超导单光子探测器研制出近红外二区荧光寿命共聚焦成像系统，首次在近红外二区波段实现三维多色荧光寿命成像。此外，团队研制的超导单光子探测器还在卫星激光测距、量子信息、激光通信等多个领域实现应用。

图(2) 南京大学研制阵列超导单光子探测器芯片