近来，我国科学技能大学张军等联合南京大学陆海、张荣团队在紫外波段单光子激光雷达方向获得新进展，经过规划制备依据4H-SiC资料的单光子雪崩光电二极管，展开自动淬灭自动康复读出电路技能，研发出具有实用价值的紫外半导体单光子勘探器，运用该勘探器初次完成了单光子差分吸收臭氧激光雷达体系，并完成1~3.5km高度范围内的臭氧浓度监测，相关效果发表于《运用物理快报》[Appl. Phys. Lett. 125, 211103 (2024)]。

  紫外单光子勘探技能在大气环境监督测定、尾焰勘探、电弧检测和火灾预警等运用场景中发挥着及其重要的效果。光电倍增管是紫外波段传统的单光子勘探器材，但具有灵敏度低、寿命短、磁场灵敏等下风，无法在恶劣环境中（高温、轰动、强辐射）长期安稳作业。相比之下，宽禁带半导体4H-SiC资料具有热导率高、抗辐射能力强、电子饱满漂移速度高以及安稳性很高级特色，在研发新式紫外半导体单光子勘探器方面具有十分显着的资料功能优势。但是，长期以来依据该资料的单光子勘探器功能指标差，特别是勘探功率极低、暗计数率极高，使得该类型单光子勘探器不具有实用价值。

  我国科大、南京大学团队近年来致力于紫外半导体单光子勘探器的联合攻关，获得了一系列新打破。2023年，研讨团队经过优化4H-SiC单光子雪崩光电二极管新式歪斜台面结构和制备工艺，并展开被迫淬灭自动康复读出电路技能，初次研发出了具有实用价值的小型化4H-SiC单光子勘探器样机，在266 nm波段勘探功率为10.3%、暗计数率为133 kcps[Rev. Sci. Instrum. 94, 033101 (2023)]。尔后，研讨团队运用该勘探器，初次演示了紫外波段单像素单光子成像试验，在接纳光强约6pW的条件下完成了单光子成像，成像分辨率为192×192像素，帧率为4fps [Appl. Phys. Lett. 123, 024005 (2023)]。

  图1. (a)4H-SiC单光子雪崩光电二极管结构；(b)自动淬灭自动康复读出电路

  在此基础上，研讨团队在4H-SiC单光子勘探器功能指标方面继续展开攻关。一方面，经过迭代优化4H-SiC单光子雪崩光电二极管结构和工艺提升了器材的单光子勘探功率；另一方面，针对4H-SiC单光子雪崩光电二极管器材的特征展开了新式自动淬灭自动康复读出电路，在有用按捺勘探器后脉冲概率的一起显着提升了饱满计数率。经表征，新勘探器在266nm波段勘探功率达16.6%、暗计数率为138kcps、后脉冲概率为2.7%、饱满计数率达13Mcps，根本满意了紫外单光子激光雷达运用对单光子勘探器的功能需求。

  研讨团队运用该勘探器初次在单光子差分吸收臭氧激光雷达体系中展开相关运用，该激光雷达体系将289nm和316nm的脉冲激光一起笔直发射到大气中，因为臭氧分子对两种波长激光的吸收系数不同，经过比照两种激光回波信号的衰减速度能反表演大气不同高度处的臭氧浓度。为了进行数据比对，试验中将回波信号分为两路，分别用传统的光电倍增管和新式4H-SiC单光子勘探器进行勘探和数据反演，试验依据成果得出在1~3.5km范围内运用两种勘探器反表演的臭氧浓度散布高度符合。上述作业为紫外波段单光子激光雷达供给了一种高功能、高环境耐受性的实用化解决方案。

  图2.单光子差分吸收臭氧激光雷达体系。(a)原理图；(b)臭氧浓度接连观测成果

  该作业得到科技部、国家自然科学基金委、我国科学院、安徽省等赞助，一起得到山东国耀量子雷达科技有限公司的技能支持。

  （合肥微标准物质科学国家研讨中心、中科院量子信息与量子科学技能创新研讨院、科研部）