中国科学技术大学和南京大学的研究团队在紫外波段单光子激光雷达技术上取得重大突破，研发出一种基于4h-sic材料的高性能紫外半导体单光子探测器，并成功将其应用于臭氧浓度监测。这项成果发表在《应用物理快报》上。
传统紫外单光子探测器——光电倍增管，存在灵敏度低、寿命短、易受磁场干扰等缺陷，难以在恶劣环境下长期稳定工作。而4H-SiC材料具有优异的热导率、抗辐射能力和稳定性，是研制新型紫外单光子探测器的理想材料。然而，基于4H-SiC的探测器长期以来受制于探测效率低和暗计数率高等问题，难以实现实用化。
研究团队通过优化4H-SiC单光子雪崩光电二极管结构和工艺，并创新性地采用主动淬灭主动恢复读出电路技术，克服了上述难题。 他们研制的探测器在266nm波段的探测效率达到16.6%，暗计数率为138kcps，后脉冲概率仅为2.7%，饱和计数率高达13Mcps。
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图1： (a) 4H-SiC单光子雪崩光电二极管结构；(b) 主动淬灭主动恢复读出电路
利用该探测器，研究团队首次搭建了单光子差分吸收臭氧激光雷达系统，并成功实现了1~3.5km高度范围内臭氧浓度的精确监测。该系统通过对比289nm和316nm激光回波信号的衰减，反演大气臭氧浓度。实验结果表明，新探测器与传统的光电倍增管所得数据高度吻合。
图2： 单光子差分吸收臭氧激光雷达系统。(a) 原理图；(b) 臭氧浓度连续观测结果
这项研究为紫外单光子激光雷达技术提供了高性能、高环境适应性的实用化解决方案，在环境监测、国防科技等领域具有广阔的应用前景。该项目得到了国家相关部门的资助，并得到了山东国耀量子雷达科技有限公司的技术支持。
