中国科大突破紫外激光雷达技术，精准监测大气臭氧含量
中国科大突破紫外激光雷达技术，精准监测大气臭氧含量
近日，中国科学技术大学张军教授团队联合南京大学陆海、张荣团队，在紫外波段单光子激光雷达领域取得重大突破。通过设计制备基于4H-SiC材料的单光子雪崩光电二极管，并发展主动淬灭主动恢复读出电路技术，成功研制出具有实用价值的紫外半导体单光子探测器。这一创新成果不仅在技术上实现了重要突破，更为大气环境监测提供了新的解决方案。
核心技术创新：高性能紫外单光子探测器
紫外单光子探测技术在大气环境监测、尾焰探测、电弧检测和火灾预警等应用场景中发挥着重要作用。传统的紫外单光子探测器件，如光电倍增管，存在灵敏度低、寿命短、磁场敏感等劣势，无法在恶劣环境中长时间稳定工作。
研究团队选择宽禁带半导体4H-SiC材料作为突破口。这种材料具有热导率高、抗辐射能力强、电子饱和漂移速度高等特点，非常适合用于研制新型紫外半导体单光子探测器。然而，长期以来基于该材料的单光子探测器性能指标差，特别是探测效率极低、暗计数率极高，使得该类型单光子探测器不具有实用价值。
经过持续攻关，研究团队在单光子探测器性能指标方面取得重大突破。通过迭代优化4H-SiC单光子雪崩光电二极管结构和工艺，提升器件的单光子探测效率；同时针对4H-SiC单光子雪崩光电二极管器件的特征，发展了新型主动淬灭主动恢复读出电路，在有效抑制探测器后脉冲概率的同时显著提升了饱和计数率。最新研制的探测器在266nm波段探测效率达16.6%、暗计数率为138kcps、后脉冲概率为2.7%、饱和计数率达13Mcps，基本满足了紫外单光子激光雷达应用对单光子探测器的性能需求。
环保监测应用：精准监测臭氧浓度
研究团队利用该探测器首次在单光子差分吸收臭氧激光雷达系统中开展相关应用。该激光雷达系统将289nm和316nm的脉冲激光同时垂直发射到大气中，由于臭氧分子对两种波长激光的吸收系数不同，通过对比两种激光回波信号的衰减速度可以反演出大气不同高度处的臭氧浓度。
为了进行数据比对，实验中将回波信号分为两路，分别用传统的光电倍增管和新型4H-SiC单光子探测器进行探测和数据反演。实验结果表明，在1~3.5km范围内使用两种探测器反演出的臭氧浓度分布高度吻合。这一结果验证了新型探测器在大气环境监测领域的实用价值。
未来展望：更广阔的应用前景
这一技术突破不仅为紫外波段单光子激光雷达提供了一种高性能、高环境耐受性的实用化解决方案，更为未来相关领域的发展提供了新的可能性。随着技术的进一步成熟和成本的降低，这种新型紫外波段单光子激光雷达有望在更多领域得到应用，包括：
大气环境监测：除了臭氧浓度监测外，还可用于监测其他大气污染物，为环境保护提供更精准的数据支持。
尾焰探测：在航空航天领域，可用于火箭尾焰监测，提高飞行安全。
电弧检测：在电力系统中，可用于实时监测电弧放电情况，预防事故。
火灾预警：通过监测特定波长的紫外光，可实现早期火灾预警，减少损失。
这一成果展示了我国科研团队在激光雷达领域的技术实力，也为未来相关领域的发展提供了新的解决方案。随着技术的进一步成熟和成本的降低，这种新型紫外波段单光子激光雷达有望在更多领域得到应用，为环境保护、航空航天、电力系统安全等提供更精准的监测手段。