阅读说明：本技术 可编程响应率的超导纳米线单像素光谱仪实现方法 (Implementation method of superconducting nanowire single-pixel spectrometer with programmable responsivity ) 是由 赵清源 孔令东 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可编程响应率的超导纳米线单像素光谱仪实现方法,测定超导纳米线单光子探测器的本征的波长-电流响应矩阵,测量不同电流下的光计数率和计算重构；所述方法包括：第一步：标定超导纳米线单光子探测器的本征波长-电流响应矩阵Φ(i,λ)；第二步：在入射光辐照下,测量不同电流下的光计数率y(i)；第三步：计算重构出入射光谱x(λ)。采用本发明的可编程响应率的超导纳米线单像素光谱仪实现方法,不要额外的光学调制单元,也不需要探测器阵列,仅仅一个探测单元即可实现极弱光下的光谱测量。(The invention discloses a realization method of a superconducting nanowire single-pixel spectrometer with programmable responsivity, which comprises the steps of measuring an intrinsic wavelength-current response matrix of a superconducting nanowire single-photon detector, measuring the light counting rate under different currents and calculating and reconstructing; the method comprises the following steps: the first step is as follows: calibrating an eigenwavelength-current response matrix phi (i, lambda) of the superconducting nanowire single photon detector; the second step is that: measuring the light counting rate y (i) under different currents under the irradiation of incident light; the third step: and calculating and reconstructing an incident spectrum x (lambda). By adopting the method for realizing the programmable responsivity superconducting nanowire single-pixel spectrometer, the spectrum measurement under extremely weak light can be realized by only one detection unit without an additional optical modulation unit and a detector array.)

可编程响应率的超导纳米线单像素光谱仪实现方法

技术领域

本发明涉及一种集成化的微型单像素光谱仪，特别涉及一种可编程响应率的超导纳米线单像素光谱仪，适用于极弱光下空间紧凑的光谱探测。

背景技术

极弱光下的光谱探测，需要单光子灵敏度的探测器。超导纳米线单光子探测器有很多优异的性能：宽光谱响应范围，低暗计数，高的动态范围以及易于实现片上光子集成。虽然超导纳米线单光子探测器有着很宽的光谱响应范围，但是其本身并没有光谱分辨能力，要制成光谱仪，目前的做法都是在探测器前安置额外的光学元件，这导致其体积庞大，无法满足一些紧凑型应用。

发明内容

针对上述现有技术的问题和不足，本发明的目的是提供一种可编程响应率的超导纳米线单像素光谱仪。

本发明采用如下技术方案：

可编程响应率的超导纳米线单像素光谱仪实现方法，测定超导纳米线单光子探测器的本征的波长-电流响应矩阵，测量不同电流下的光计数率和计算重构；所述方法包括以下步骤：

第一步：标定超导纳米线单光子探测器的本征波长-电流响应矩阵Φ(i,λ)；

第二步：在入射光辐照下，测量不同电流下的光计数率y(i)；

第三步：计算重构出入射光谱x(λ)。

进一步的，所述步骤一，将探测器偏置在不同的电流下，并且测量得到由不同波长光辐射的单位功率下的光子计数率，得到一个光谱响应矩阵Φ(i,λ)，这个矩阵是关于入射光波长和探测器偏置电流的函数，它的每一行表示不同电流下的光谱响应率，每一列表示不同波长下计数率随偏置电流的变化。

进一步的，所述步骤二，当标定好响应矩阵后，要测量入射光的光谱x(λ)，只要测量不同电流下的光计数率y(i)即可，所述测量过程描述为以下的线性方程组：

Φx＝y#(1)。

进一步的，所述步骤三，通过求解线性方程组(1)，得到x。

进一步的，所述线性方程组(1)的求解利用线性回归方法：

进一步的，步骤一中，标定波长-偏置电流响应矩阵是所述探测器本身的性质，与外在光源无关。

本发明的有益效果如下：

采用本发明的可编程响应率的超导纳米线单像素光谱仪实现方法，不要额外的光学调制单元，也不需要探测器阵列，仅仅一个探测单元即可实现极弱光下的光谱测量。本发明的方法能够实现一种全新的、和现有光谱仪均有所区别单像素光谱仪，它不要额外的光学调制单元或者探测器阵列，整个光谱仪仅仅包含一个探测器(因此命名为单像素光谱仪)。

附图说明

图1为本发明的测量的波长-偏置响应矩阵图；

图2为本发明的工作机制示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

超导纳米线单光子探测器是一种光子计数型探测器，测量的光强可以通过探测器的计数率来表征。它由偏置了电流的超导薄膜纳米线组成，如图2中a部分所示。当一个光子被纳米线吸收，会概率性地产生一个电脉冲。这个概率和偏置电流的大小与光子的能量有关系。当提高偏置电流时，探测器响应的截止波长移向更长的波长，如图1中b部分所示。也就是说，当偏置在不同的电流下时，探测器的光谱响应率是线性无关，即本发明发现了超导纳米线单光子探测器具有在偏置在不同电流下的光谱响应率不同这一特性，本发明就是利用了超导纳米线单光子探测器的这个特性。

本发明的可编程响应率的超导纳米线单像素光谱仪实现方法，测定超导纳米线的波长-电流响应矩阵，测量不同电流下的光计数率和计算重构。本发明的操作机制分为三步：

第一步：标定超导纳米线单光子探测器的波长-电流响应矩阵。这一步就是把探测器偏置在不同的电流下，并且测量得到由不同波长光辐射的单位功率下的光子计数率，得到一个光谱响应矩阵Φ(i,λ)，如图1中a部分所示。这个矩阵是关于入射光波长和探测器偏置电流的函数，它的每一行表示不同电流下的光谱响应率，每一列表示不同波长下计数率随偏置电流的变化。需要说明的是，本发明中，标定波长-偏置电流响应矩阵是这个探测器本身的性质，和外在的光源无关。

第二步：当标定好响应矩阵后，要测量入射光的光谱x(λ)，只要测量不同电流下的光计数率y(i)即可，如图2中b部分所示，这个测量过程可以在数学上描述为一下的线性方程组：

Φx＝y#(1)

第三步：计算重构出入射光谱。这一步就是通过求解线性方程组(1)，得到x。通常，这个线性方程组的求解可以利用线性回归方法：

综上所述，本发明发现并利用探测器本征的波长-电流响应矩阵，进而实现了一种只需要一个探测器而不需要额外光学元件或者光源的光谱仪。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。