基于相关光子对的单光子探测器量子效率校准技术研究

随着量子技术的发展，对极微弱光辐射的研究方向逐渐向量子化发展，利用相关光子对法对单光子探测器的相关参数进行测量。介绍了相关光子对法的原理及相关光子源中非线性晶体的关键参数设计方法，利用波长355 nm的激光器作为泵浦光源，泵浦相位匹配角为36°的BBO非线性晶体，实现了(450～1 675)nm的相关光子输出；泵浦相位匹配角为28.1°,32.91°,31.29°的BBO非线性晶体，实现了460 nm和1 550 nm, 632.8 nm和807 nm, 1 064 nm和532 nm的相关光子对共线输出。在460 nm, 1 550 nm, 632.8 nm, 1 064 nm波长点利用符合测量对单光子探测器的量子效率进行测量，为实现多波长点至全波段单光子探测器校准奠定基础。     

高稳频微弱激光量子源测量标定技术研究

激光雷达探测系统需求稳定的单光子源作为定标光源,通过输出波长及功率可量化溯源的微弱光量子信号,对探测系统的探测不确定度进行分析,并对接收与探测系统性能进行评估。针对这一需求设计并研制一种输出激光波长稳定、输出平均光子数从10^(11) s^(-1)量级至10~3 s^(-1)量级的可调谐高稳频微弱激光量子源,并开展了相关测量标定工作。输出的微弱信号光波长稳定在532.269 nm处,功率覆盖79.3 nW至0.34 fW,平均光子数覆盖10^(11) s^(-1)量级至10~3 s^(-1)量级,在10~5 s^(-1)量级的稳定度优于0.6%,能够满足激光雷达系统探测不确定度分析与性能评估等方面的应用需求。     

量子定位系统中符合计数与到达时间差的获取

基于MATLAB图形用户界面接口（GUI），采用软件设计方式，实现量子纠缠光信号的采集，以及对采集到的两路量子纠缠光信号的符合算法。通过对符合算法中不同的符合门宽、采集时间和延时增加步长3个重要参数的性能实验，优化和确定各参数的选值。通过对量子纠缠光符合计数与到达时间差（TDOA）的研究，完成地面数据获取与信息处理模块的设计与实现。设计并实现了时间差拟合的仿真平台。实验结果达到了期望的精度和效率的需求。      

相关光子自校准光谱辐照度测量不确定度分析

基于自发参量下转换原理产生宽波段相关光子辐射定标光源,结合传统的光谱辐照度观测仪器,提出一种新型的相关光子自校准的光谱辐照度测量方案。介绍了光谱辐照度测量原理和系统组成,开展了“通道量子效率→光谱光子数率→光谱辐射功率响应度→光谱辐照度”量值传递路径研究,建立了自校准光谱辐照度测量仪的辐射测量模型,详细分析和评估了该仪器的光谱辐照度测量不确定度。将488 nm激光经积分球、平行光管准直后作为辐照度定标光源,开展了相关光子自校准光谱辐照度测量仪与参考辐照度计的比对实验,初步验证两种测量方法的一致性优于4.2%。     

基于HITRAN数据库的大气激光雷达信号仿真

信号仿真研究是大气激光雷达研究的重要环节，结果可为激光雷达系统的设计和研制提供基础.本文仿真系统可用于激光雷达回波信号模拟.该仿真系统利用HITRAN数据库中的吸收谱线计算大气分子对激光的吸收光谱，并采用大气辐射传输模型中的气溶胶模式模拟气溶胶对激光的衰减.利用激光雷达方程，数值模拟了355nm，532nm以及1064nm的回波信号，并将532nm的数值模拟结果与实测结果进行对比，评估了激光雷达系统的光学效率.      

光纤陀螺光源驱动技术

为提高光纤陀螺精度, 实现光纤陀螺工程化,设计了高精度恒流源及精密温控电路,用于光纤陀螺光源驱动.结合光纤陀螺特点,讨论了从光纤陀螺耦合器和探测器提取信号进行光反馈控制的方案.测试结果表明, 在变温环境下(-20℃～55℃),恒流精度达到0.06%, 温控精度达到0.1℃,光源出纤功率的变化在0.1%范围内,较通用的光源驱动电路提高了一个数量级.     

周期极化磷酸氧钛钾晶体倍频特性实验研究

采用窄线宽皮秒1 036nm的激光单次通过周期极化磷酸氧钛钾(Periodically poled KTiOPO₄:PPKTP)晶体倍频产生518nm绿光信号,通过实验分析了晶体的温度特性和功率特性。研究了不同温度下基频功率对倍频晶体的影响,以及不同基频功率下温度对倍频晶体的影响,分析了基频功率对晶体最佳匹配温度的影响。     

光谱连续可调星敏感器地面标定系统设计

为解决由于色温不匹配对星敏感器光信号定标精度产生的影响,提出一种光谱连续可调星敏感器地面标定系统设计方案.该高精度准直光学系统的光谱范围为500~800nm,像质测试结果表明,全视场畸变小于0.08%,MTF在60lp·mm-1处大于0.6.基于DMD光源系统的组成和工作原理,对光谱分辨率和光谱曲线模拟精度进行分析,设计了一套光谱分辨率全谱段优于2nm的Czerny-Turner分光系统.测试结果表明,星点位置精度优于7";光谱分辨率为10nm和20nm时光谱曲线模拟精度分别优于2%和5%,有效降低了由于色温不匹配对星敏感器标定精度的影响.      

星敏感器光谱探测能力用地面模拟测试系统设计

为实现对星敏感器光谱探测能力的测试和标定, 研制了一套可模拟恒星光谱的地面标定系统, 要求其光谱模拟精度优于10%. 采用光谱分布可控、光强可调的模拟照明系统作为地面标定系统的核心器件来模拟恒星光谱变化, 设计高成像质量准直光学系统使模拟星图成平行光出射, 在光学系统出瞳处产生星图, 完成具有恒星光谱信息的高精度星图模拟. 进而利用Lighttools建立标定系统的光谱仿真模型, 仿真结果表明恒星光谱模拟精度优于10%.      

高精度光纤光栅波长测试系统研究CSCD

为了准确测量光纤光栅（FBG）的中心波长,设计了一种高精度光纤光栅波长测试系统,主要由可调谐激光器和光功率计组成,采用波长扫描的方法进行测试。利用可调谐激光器输出光波长精度和信噪比高的特点,通过在光功率计的全量程范围进行波长扫描,得到高精度、大动态范围的光纤光栅反射光谱曲线,然后应用四次多项式拟合来计算中心波长。测试结果表明,系统在（1520 - 1590）nm 波长范围内,测量重复性优于0.5pm,测量不确定度为2pm（k=2）,可以满足传感用光纤光栅的测试需要。     

“高分五号”全谱段相机可展开定标漫反射板设计

为了对“高分五号”卫星全谱段光谱成像仪的太阳反射谱段辐射性进行长期监测与校正，并针对其谱段范围宽、精度要求高、口径大、使用寿命长等特点与要求，优化设计了可展开的漫反射板进行全光路全视场的辐射定标。定标漫反射板安装在相机光学系统的前端侧面，不影响相机正常成像，在定标时通过驱动机构展开漫反射板到相机前端，根据“高分五号”卫星轨道特点、定标能量要求及相机安装矩阵等设计定标漫反射板展开角度为39°。研制了430mm×430mm大尺寸聚四氟乙烯漫反射板组件以保证在展开时满足全光路全视场的定标，漫反射板在420～2400nm光谱范围内半球反射率高于95%，在相机观测方向BRDF变化优于25%。同时，设计了漫反射板稳定性监视辐射计用于监测漫反射板在轨性能衰减，监测精度15%。在轨定标精度分析为476%，满足指标要求。     

腔式宽光谱高吸收比标准器研制及测试分析

为解决高吸收比极端量值溯源难题，基于腔式吸收器光陷阱作用，研制了吸收比达0.999以上、光谱范围为300～1 100 nm的腔式宽光谱高吸收比标准器并进行了性能测试。设计了圆柱圆锥形、球形和不同直径带螺纹圆柱形等腔式吸收器，使用Fred软件，基于Gouffe法和蒙特卡罗法对吸收率进行模拟，使用铝合金材料制作了内壁分别喷涂航空黑漆和电镀纳米涂层的两套实物，对实物进行了吸收比性能测试，分析研究不同形状和尺寸腔体对吸收率的影响。腔吸收器吸收率测试结果表明，腔口开孔直径为25 mm,内壁涂有吸收率为0.970的航空黑漆或纳米铜的球形腔和圆柱圆锥形腔更高，在300～1 100 nm波段范围平均吸收率达0.999以上。     

高稳定度低温蓝宝石微波频率源设计

利用蓝宝石晶体在低温下具有低损耗的特点，设计并研制了本征模式为WGH_12,0,0的蓝宝石微波腔。当温度稳定在6.4K时，其Q值能够达到4.0×10⁸。以此微波腔为基础，形成正反馈振荡回路，并根据POUND电路原理对环路中振荡信号的相位进行控制，提高整机稳定度指标。为满足频率互比测试的需求，采用共用一个低温装置的方案，构建了两台低温蓝宝石微波源，一路输出频率为9.204GHz，另一路输出频率为9.205GHz，两路信号混频，并用时间间隔计数器测量差频信号的频率。经计算，低温蓝宝石微波频率源的秒级频率稳定度达到了3.28×10^-15。     

信号相干周期的计算与测量

对信号的相干周期与有关测量作了研究，说明该合成信号为准周期函数，具有特殊的周期现象和波形，给出了部分求解结果及其应用。     

光纤陀螺用超宽谱光源的铋/铅共掺光纤的制备与光谱特性

由于具有质量轻与成本低等优点,光纤陀螺正在被广泛应用,而光源光谱的特性在很多方面又影响着光纤陀螺的性能。利用新型光纤制备技术,制备铋/铅共掺石英光纤,测试分析其吸收光谱与发光特性。用980nm与830nm双泵浦光激发,超宽带荧光光谱范围可覆盖1000~1700 nm,相比单泵情况,光谱大大拓宽。10dB带宽的光谱达到了650nm,光谱比较平坦,可以满足超宽带平坦光源的需要,并可作为超宽谱光源的理想增益介质。对应用于惯性导航系统、光纤陀螺传感器(Fiber Optic Gyroscopic Sensor, FOG)、光学相干断层扫描系统(Optical Coherence Tomography, OCT)与医学成像的超宽谱光源进行研究,具有非常重要的实际应用与战略意义。     

光子计数中一种高速可程控参考电压鉴别器的设计

利用数字电位器和高速比较器MAX9012,设计了一种参考电压可程控用于光子计数的鉴别器,通过I~2C总线对数字电位器的阻值调节实现门限调整。实验表明该鉴别器输出信号质量良好,满足了设计要求。具有调整方便,精确,温度系数小等优点,为微弱光信号检测奠定了基础。     

基于功率取样的光纤光源平均波长控制技术

为提高宽谱光纤光源温度稳定性,对平均波长温度稳定性进行了分析;对不同泵浦功率下输出光的平均波长与输出功率的变化进行了仿真和实验研究,揭示了宽谱光纤光源平均波长与输出功率的相关性;提出并实现了一种基于数学模型的平均波长控制技术.从光源输出取出小部分功率作为反馈信号,通过调整泵浦激光器电流实现了中心波长的精确控制.对研制的样机进行了实际测试,结果表明控制方案是可行的,在－45~70℃的温度范围内,宽谱光纤光源的平均波长稳定性达到0.3×10^-6℃^-1.     

利用X射线源实现航天器相对定位

利用X 射线源实现航天器相对定位, 突破了X 射线脉冲星绝对定位中需要选取具有稳定周期脉冲星的限制, 通过周期脉冲信号及非周期时变信号互相关时差测量仿真试算, 得出信号变化幅度是影响时延测量精度的重要因素. 在分析测距和星历误差对相对定位精度影响的基础上, 利用脉冲星数据库中提供的脉冲星参数, 对同时观测3~6 颗脉冲星的相对定位精度进行了试算.      

原子磁强计原子气室无磁加热温控系统设计

介绍一种用于原子磁强计原子气室的无磁加热温控系统设计。针对温控系统加热电流产生的磁场干扰，设计了双层加热丝加热膜结构的加热器件，该加热器件利用同层平行反向电流和层间平行反向电流产生的磁场相互抵消以减小加热电流磁场噪声；设计了滑动平均滤波器对采集的温度信号实施滤波以减小随机噪声的干扰；结合设计的高频加热信号的产生电路、幅度控制电路和功率放大电路开展了实验测试。测试结果表明，研制的双层加热丝加热膜结构加热器件相比单层加热丝加热膜结构加热器件的电流磁场噪声抑制能力提高了约16倍，实现的无磁加热温控系统的温控能力达到1.2‰。     

先进的宇航试验舱温控系统

介绍了中国新一代宇航试验舱的温控系统。该温控系统设计思想先进、结构新颖。在直径２．３ｍ，长２ｍ的封闭舱体控温面上，实现了０℃～５０℃的任意温度定点控制及９０ｍｉｎ内的正弦波、梯形波、三角波的周期变化；在整个控温面上温度非均匀性（均方根偏差）小于０．３℃，远远超过了非均匀度±１℃、控制精度±２℃的原设计指标。