高速高可靠低成本紅外單光子探測(cè)器的研究中文摘要

單光子探測(cè)器是量子通信系統(tǒng)的重要組成部分，也是量子信息技術(shù)的關(guān)鍵器件之一。紅外單光子探測(cè)器是光纖量子密碼通信的研究重點(diǎn)，由于光纖存在極化模式色散效應(yīng)的固有損耗以及傳輸信道受環(huán)境影響導(dǎo)致量子糾纏品質(zhì)下降，光纖量子通信系統(tǒng)的傳輸可靠性、速度和傳輸距離受到嚴(yán)重限制，對(duì)單光子探測(cè)器提出更高要求。本項(xiàng)目主要針對(duì)上述問(wèn)題研究高速高性能高可靠低成本的單光子探測(cè)器，提出一種新型的并行APD結(jié)構(gòu)探測(cè)方法，解決死時(shí)間計(jì)數(shù)重復(fù)率與暗計(jì)數(shù)之間的矛盾，使用GHz門(mén)控正弦波信號(hào)低通濾波的專(zhuān)利技術(shù)，顯著提高雪崩信號(hào)信噪比、探測(cè)器的探測(cè)速度和探測(cè)效率；提出一種自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整甄別電平的方法，提高探測(cè)器的檢測(cè)靈敏度和可靠性；實(shí)現(xiàn)高速高性能高可靠低成本的紅外單光子探測(cè)器，其關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)為門(mén)控正弦波信號(hào)頻率達(dá)5GHz、探測(cè)效率大于10%、暗計(jì)數(shù)率低于10-7、計(jì)數(shù)重復(fù)率達(dá)到1GHz，以滿足未來(lái)高速遠(yuǎn)距離光纖量子通信系統(tǒng)的需求。

現(xiàn)代量子通信技術(shù)正在從高速光纖通信方式向星天地一體化全球覆蓋方式發(fā)展，紅外單光子探測(cè)器作為量子通信系統(tǒng)中的重要組成設(shè)備，需要超高精度地瞄準(zhǔn)、捕獲和探測(cè)，其性能指標(biāo)需要進(jìn)一步提高才能得到應(yīng)用。目前量子信息技術(shù)中，最重要的是基礎(chǔ)量子元器件、硬件系統(tǒng)及設(shè)備無(wú)關(guān)探測(cè)等，單光子探測(cè)器作為量子通信系統(tǒng)的關(guān)鍵器件之一，高速高可靠低成本是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，需要進(jìn)一步加強(qiáng)研究才能更好滿足量子通信技術(shù)的需求。 本研究項(xiàng)目主要針對(duì)單光子探測(cè)器的探測(cè)效率、暗計(jì)數(shù)率和計(jì)數(shù)重復(fù)率等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，研制出一種并行雪崩光電二極管陣列紅外單光子探測(cè)系統(tǒng)，具有高速高可靠低成本等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)使用多個(gè)分立APD器件組成并行APD陣列結(jié)構(gòu)將單光子信號(hào)轉(zhuǎn)換成雪崩電信號(hào)，利用直流偏置電壓電路使并行APD陣列工作于蓋革模式，利用高速脈沖門(mén)控時(shí)序信號(hào)電路以及多通道光開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)并行APD陣列的通道時(shí)序切換功能，解決了減小死時(shí)間提高計(jì)數(shù)重復(fù)率與降低后脈沖幾率降低暗計(jì)數(shù)之間的矛盾，輸出的雪崩電信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)探測(cè)電路的低通濾波和寬帶放大處理，本系統(tǒng)中還使用了脈沖門(mén)控低通濾波的信號(hào)處理方法，通過(guò)減小門(mén)控信號(hào)寬度、提高雪崩增益、抑制結(jié)電容微分效應(yīng)產(chǎn)生的尖峰噪聲等方法，提高了雪崩信號(hào)的信噪比，同時(shí)采用一系列優(yōu)化的電子學(xué)檢測(cè)方法，通過(guò)自適應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整甄別電平等方法，提高檢測(cè)靈敏度，分析APD的最佳工作狀態(tài)，通過(guò)減小死時(shí)間和降低后脈沖效應(yīng)影響方法降低暗計(jì)數(shù)由信號(hào)模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再由信號(hào)處理電路進(jìn)行甄別探測(cè)和計(jì)數(shù)，最后輸出各種類(lèi)型的數(shù)字信號(hào)。并在此基礎(chǔ)上完成了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，測(cè)試結(jié)果表明，使用1.6GHz的脈沖門(mén)控信號(hào)頻率進(jìn)行測(cè)量，8通道的并行APD陣列結(jié)構(gòu)的紅外單光子探測(cè)系統(tǒng)的重復(fù)頻率為1GHz，暗計(jì)數(shù)率為5.92×10-5，探測(cè)效率為10.0%。使用并行APD陣列結(jié)構(gòu)的紅外單光子探測(cè)系統(tǒng)可以大幅度減小死時(shí)間,有效克服后脈沖效應(yīng)，提高單光子探測(cè)的工作頻率和重復(fù)計(jì)數(shù)率，能滿足未來(lái)百公里級(jí)以上的高速遠(yuǎn)距離光纖量子通信系統(tǒng)的需求。 在此基礎(chǔ)上在光學(xué)精密工程核心期刊上發(fā)表了學(xué)術(shù)論文1篇，獲得1項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利，申請(qǐng)了1項(xiàng)發(fā)明專(zhuān)利。 2100433B

高性能低成本高速鋼專(zhuān)利目的

《高性能低成本高速鋼》所要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供了一種高性能低成本高速鋼，不僅要進(jìn)一步降低稀缺元素的含量，從而使鋼材成本大幅減少；而且其性能達(dá)到通用高速鋼M2水平，尤其在高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)刀量條件下使用時(shí)性能優(yōu)于M2鋼。

高性能低成本高速鋼技術(shù)方案

《高性能低成本高速鋼》所采用的技術(shù)方案是，該高速鋼的各種元素含量為：0.8-1.2Wt％C，1.7-3.0Wt％Si，0.3-1.0Wt％RE，3.5-5.0Wt％Cr，1.0-3.0Wt％Mo，2.5-4.5Wt％W，0.8-1.6Wt％V，0.1-0.5Wt％Mn，雜質(zhì)元素P和S含量分別小于0.03Wt％，其余為Fe。

上述合金元素中的C、W、Cr、Mo、V在高速鋼中的作用已為公知。該發(fā)明中Si作為主要合金元素并高含量地加入，其主要作用機(jī)理在于：Si能促使高速鋼凝固時(shí)形成的對(duì)性能有害的M2C在再次加熱時(shí)分解為M6C及MC，從而可消除柱狀M2C，使碳化物細(xì)化，韌性提高。此外，Si還能細(xì)化回火時(shí)析出的二次碳化物，使回火硬度提高；Si能細(xì)化奧氏體晶粒，提高600℃紅硬性及低溫淬火硬度；Si還可以改善高速鋼的切削性能和磨削性能。雖然有專(zhuān)利如公開(kāi)號(hào)CN1296084A、CN1047536A、CN1055773A、CN1049189A等合金中也加入了Si，但其成分設(shè)計(jì)中Si含量的上限也均在該發(fā)明的下限之下；在其它的一些文獻(xiàn)報(bào)道中，Si在高合金高速鋼中雖然也有應(yīng)用，但只是作為輔助元素而非主要合金元素應(yīng)用。該發(fā)明中加入高含量RE，其主要作用機(jī)理在于：RE能凈化鋼液，進(jìn)而凈化合金的晶界，并有細(xì)化晶粒、碳化物析出相，改變夾雜物形態(tài)和分布，從而提高熱加工塑性和常溫的韌性作用。該發(fā)明中加入微量的Mn，主要起到固溶強(qiáng)化作用，提高合金強(qiáng)度。

高性能低成本高速鋼改善效果

該合金的優(yōu)點(diǎn)在于：

（1）使用了高含量的資源豐富、廉價(jià)的Si，大幅度降低了2006年1月前已有通用高速鋼中的貴重元素含量，從而使鋼材成本顯著降低；

（2）使用了高含量的中國(guó)資源豐富的RE，從而明顯改善了冶金質(zhì)量；

（3）《高性能低成本高速鋼》的鋼各項(xiàng)性能不低于通用高速鋼，部分性能明顯高于通用高速鋼，尤其是在高轉(zhuǎn)速、大進(jìn)刀量條件下使用時(shí)更顯其性能的優(yōu)勢(shì)。

2009年，《高性能低成本高速鋼》獲得第六屆江蘇省專(zhuān)利項(xiàng)目獎(jiǎng)優(yōu)秀獎(jiǎng)。

1.《高性能低成本高速鋼》特征在于：該高速鋼的各種元素含量為：0.8-1.2Wt％C，1.7-3.0Wt％Si，0.3-1.0Wt％RE，3.5-5.0Wt％Cr，1.0-3.0Wt％Mo，2.5-4.5Wt％W，0.8-1.6Wt％V，0.1-0.5Wt％Mn，雜質(zhì)元素P和S含量均小于0.03Wt％，其余為Fe。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速鋼，其特征在于：所述高速鋼含量為0.95-1.05Wt％C，1.8-2.2Wt％Si，0.3-0.8Wt％RE，4.0-4.8Wt％Cr，1.8-2.5Wt％Mo，3.5-4.5Wt％W，1.2-1.5Wt％V，0.2-0.4Wt％Mn，雜質(zhì)元素P和S含量均小于0.03Wt％，其余為Fe。