在量子通信、生物熒光成像、天文觀測(cè)等領(lǐng)域，微弱光信號(hào)的精準(zhǔn)捕捉是技術(shù)突破的關(guān)鍵。傳統(tǒng)光電探測(cè)器在光強(qiáng)低于10?¹?W時(shí)，信號(hào)會(huì)全部淹沒(méi)在熱噪聲中，而單光子計(jì)數(shù)器通過(guò)“單光子級(jí)”探測(cè)能力與數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)，成為突破這一極限的核心工具。
 

　　一、核心原理：從光子到數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)化

　　單光子計(jì)數(shù)器的核心在于光電倍增管（PMT）或雪崩光電二極管（APD）的量子級(jí)響應(yīng)。當(dāng)單個(gè)光子撞擊PMT光陰極時(shí)，會(huì)激發(fā)一個(gè)光電子，該電子在10?-10?倍增極的加速下，通過(guò)二次電子發(fā)射效應(yīng)形成雪崩式倍增，最終產(chǎn)生毫伏級(jí)脈沖信號(hào)。

　　信號(hào)處理鏈路中，前置放大器將微弱脈沖線性放大至100-200mV，甄別器通過(guò)設(shè)定閾值濾除暗電流噪聲與宇宙射線干擾，僅允許符合光子特征的脈沖通過(guò)。最終，計(jì)數(shù)器以100MHz速率記錄脈沖數(shù)目，結(jié)合時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)皮秒級(jí)時(shí)間戳標(biāo)記，為熒光壽命測(cè)量等應(yīng)用提供時(shí)間維度數(shù)據(jù)。

　　二、技術(shù)優(yōu)勢(shì)：突破傳統(tǒng)探測(cè)的三大壁壘

　　1.超高靈敏度：可探測(cè)低至10?¹?W的光功率，相當(dāng)于每秒僅0.1個(gè)光子的流量。在量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)中，該特性使通信距離突破500公里限制。

　　2.抗噪聲能力：通過(guò)脈沖甄別技術(shù)，暗計(jì)數(shù)率可壓低至10Hz以下。

　　3.動(dòng)態(tài)范圍寬：覆蓋10?:1的光強(qiáng)變化，從單光子到百萬(wàn)光子/秒均可精準(zhǔn)計(jì)數(shù)。在激光雷達(dá)應(yīng)用中，該特性支持從近場(chǎng)強(qiáng)反射到遠(yuǎn)場(chǎng)弱回波的全場(chǎng)景探測(cè)。

　　三、典型應(yīng)用：重塑多領(lǐng)域技術(shù)范式

　　1.量子通信：在BB84協(xié)議中，單光子計(jì)數(shù)器作為接收端核心器件，通過(guò)甄別偏振態(tài)光子實(shí)現(xiàn)無(wú)條件安全通信，中國(guó)“墨子號(hào)”衛(wèi)星即采用此類技術(shù)。

　　2.生物成像：結(jié)合時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)，可構(gòu)建熒光壽命成像顯微鏡，分辨率達(dá)10ps級(jí)，精準(zhǔn)區(qū)分細(xì)胞內(nèi)不同代謝狀態(tài)的熒光分子。

　　3.天文觀測(cè)：在甚長(zhǎng)基線干涉測(cè)量中，它用于接收遙遠(yuǎn)星體的微弱光子，助力事件視界望遠(yuǎn)鏡拍攝黑洞首張照片。

　　從實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，單光子計(jì)數(shù)器正以“單光子精度”重新定義微弱光探測(cè)的邊界。隨著超導(dǎo)納米線單光子探測(cè)器等新型器件的突破，其量子效率已突破90%，未來(lái)將在深空探測(cè)、腦機(jī)接口等領(lǐng)域開(kāi)啟更多可能。