单光子探测激光距离测量技术

李召辉，吴光

华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200062

激光距离测量技术基于激光波长短、方向性好的特点，是精度最高、作用距离最远的测量技术。例如：激光干涉仪已经形成成熟产品，货架产品的精度达到5×10-7，广泛应用于精密机床和位移平台校准；激光三维成像能够帮助我们快速测量目标三维轮廓，在地形地貌测绘[1-5]、无人驾驶( https://velodynelidar.com/，http://www.hesaitech.com/)、城市测绘[6]等领域都有重要的应用。然而，远距离激光测量的光信号非常微弱，例如激光测距和成像，回波强度与距离的平方至四次方呈倒数关系，安装在近地轨道卫星上的1 m口径的望远镜，能够接收的回波强度仅是出射激光的十万亿分之一。因此，提高探测系统的灵敏度、增加激光测量距离是我们不断追求的目标。

光子是光的最小能量单位，可见—近红外波段单光子能量仅为10-19焦耳量级，单光子探测能够将激光测量系统的探测灵敏度提高至光的能量极限。单光子探测器件可将单光子转换成宏观可甄别的电信号。其中，雪崩光电二极管(avalanche photodiode，APD)在偏置高于雪崩点时进入盖革模式，此时单个光生载流子(电子或者空穴)进入增益层，在高电场作用下发生碰撞—激发—碰撞的级联效应，犹如雪崩一样，瞬间达到近似106的增益，从而形成宏观电流脉冲。目前主要有硅(Si)和铟镓砷(InGaAs)两种材料的APD，它们的波长响应范围分别为300～1 000 nm和1 000～1 700 nm。APD是半导体器件，具有量子效率高、尺寸小、容易制备成阵列、无需真空、可室温工作等优点。APD的单光子探测性能很大程度上取决于增益层电场的瞬态调控，所以我们课题组聚焦于APD的驱动电路技术，研制高性能的单光子探测器，并克服其在实际应用中的技术瓶颈，开展远距离激光测距和成像研究。

1 InGaAs APD GHz单光子探测技术及其在远距离激光测距中的应用

1.0 µm和1.5 µm是两个优秀的近红外激光输出波段，也是大气传输窗口。对应这一波段的是InGaAs APD探测器件。由于材料的原因，单光子探测器的死时间非常大，严重限制了其在高背景环境下的应用。死时间主要来源于APD的后脉冲效应，即当APD发生雪崩时，半导体材料缺陷会捕获载流子，这些载流子会随时间呈指数关系释放。载流子释放且APD恰巧处于盖革工作模式时，就会触发新的雪崩计数。常规的抑制电路无法有效抑制InGaAs APD的后脉冲，需要通过电路设置大于1 µs的死时间来降低其影响。白天环境，即使有窄带滤光片，入射到单光子探测器的背景光子数也往往大于106/s。较大的死时间使得探测器在没有探测到信号光子时，往往已经被背景光子触发而处于死时间内，从而无法有效探测信号光子。为了提高单光子探测器抗背景噪声的能力，我们发展GHz单光子探测技术，通过给InGaAs APD加载一个GHz正弦门偏置，使得APD增益层的电场受到正弦波调制，令其处于盖革模式的时间仅约300 ps，大幅减小了雪崩持续时间，从而减小了缺陷捕获载流子的几率，明显降低后脉冲。该技术将InGaAs APD的死时间降低了3个数量级，减小至约6 ns[7]，因此，探测器的抗背景噪声能力提高了3个数量级。基于这样一个单光子探测器，我们在1 550 nm波段实现了远距离激光测距。如图1所示，我们采用一个135 mm口径牛顿反射式望远镜，搭建了激光测距装置。得益于单光子探测器的极限灵敏度，激光输出的单脉冲能量仅为10 nJ，在青海湖实现了最远32 km的自然目标测距实验[8]。

图1 青海湖InGaAs APD GHz单光子探测激光测距实验：(a)激光测距装置；(b)视场内实验现场照片；(c)3.2 km高压电线的回波信号；(d)21 km斜坡回波；(e)为21 km处多个目标的回波；(f)分别来自5.1 km和21 km的大动态范围回波

2 多通道单光子探测及激光三维成像

激光三维成像有凝视和扫描两种方式：前者类似传统的相机成像，将激光光斑照覆盖目标表面，通过焦平面探测器阵列探测激光回波图像；后者高速扫描准直的激光光束，采用点探测器探测回波。虽然凝视型方法结构简单，但在远距离测量中，扫描方式更能发挥激光光束方向性优势，并且采用多光束扫描方法能够提高成像速率。例如：无人驾驶车载激光雷达已经将光束提升至64～128线，以满足无人驾驶对于高分辨率和高成像速率的要求。但是，受限于激光功率，光束数量与最远测量距离形成了相互制约的矛盾。目前最高水平的无人驾驶车载激光雷达采用128光束，量程小于200 m。单光子探测器能够在不增加激光功率的前提下，增加光束规模和测量距离。针对多光束特点，我们研制了100通道Si APD单光子探测器，并基于该探测器，搭建了100光束激光成像雷达，如图2所示。100通道单光子探测器将每个光束的回波探测能力提高至单光子水平，使得我们仅用15 mW的激光，就实现了2.5 km距离范围的激光三维成像[9]。我们在青海湖进一步测试了这套系统的极限灵敏度，同样的激光功率，通过长时间累积实现了25 km距离的三维点云探测。

图2 百光束单光子探测激光成像：(a)多通道单光子探测及激光三维成像系统；(b)目标照片；(c)大范围三维图；(d)红色框图内建筑三维图

3 测量系统

时间高精度的单光子探测器在高精度激光测距和时频传输中有重要的应用，例如在卫星激光测距中，采用皮秒脉冲激光和小于75 ps RMS抖动的单光子探测器能够实现优于1 cm的卫星轨道测量。随着我们对于定位和测量的精度要求不断提升，星地时频传输的时间稳定性已经达到0.1 ps@300 s，对于单光子探测器时间精度提出了更高的要求。我们发展一系列高精度探测技术，采用国内自主研制的Si APD芯片，将Si APD单光子探测器的时间抖动降低至20 ps RMS(图3(a))。并且，针对星载运行特点，设计被动延时补偿电路，如图3(b)所示，其在工作温度范围内，使延时随温度变化接近零漂移。针对地面卫星激光测距站环境温度变化范围大的实际应用特点，我们设计分段稳定方法，在-30 ℃～40℃范围内，将探测器延时波动控制在±10 ps以内，如图3(c)所示，为高精度卫星激光测距提供核心技术模块。

图3 高精度单光子探测技术。(a)高精度单光子探测器；(b)被动补偿情况下延时随温度漂移图；(c)多段温控补偿情况下延时随温度漂移图

4 结语

单光子探测技术是一种传统的直接光电探测技术，在荧光检测和夜视成像等方面有悠久的研究历史。近年来，随着半导体器件的发展，工作在盖革模式的APD单光子探测器在激光测距和成像领域开始引起人们的关注，但是真正走向实用还需克服许多技术瓶颈。我们实验室攻克了死时间、多通道、时间精度等技术难题，推动了单光子探测激光距离测量的实用化进程。