一种超导单光子探测系统中光纤对准装置及光纤对准方法与流程

本发明涉及光探测技术领域，具体涉及一种超导单光子探测系统中光纤对准装置及光纤对准方法。

背景技术：

单光子探测器是对光子等单量子物质极为敏感的一种装置，在高分辨率的光谱测量、非破坏物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物放射、高能物理、天文探测、光时域反射(otdr)、量子密钥分发系统(qkd)等领域有着广泛的应用。由于这类探测器都是工作在极低温度1k的温区以内，对比普通的半导体光子探测器(如光电培增管、雪崩二极管等)而言，它们以其独有的高探测灵敏度、低背景噪声、低暗计数率以及较快的信号响应速率等成为了光子探测中的佼佼者。

近年来，一种基于测量信号光子引起超导谐振器内动态电感变化实现测量的微波动态电感探测器(microwavekineticinductancedetector，mkid)得到飞速发展。其原理是：入射在超导谐振器上的信号光子破坏库珀对产生准粒子，准粒子会引起探测器样品表面阻抗的变化，从而改变谐振器的传输性质，通过监测探测器的微波传输信号的变化实现光子探测的目的。

为了使光子准确地落入到超导薄膜的感光处(感光面积很小，20um×20um)，需要将用于传导光子的光纤精确对准超导薄膜的感光处，使光子尽可能落到感光处，从而实现光探测效率的最大化。但是，光纤不能与样品完全接触否则会破坏样品，这样一来光从光纤端口射出至样品时会具有很大的发散面(2mm×2mm)，从而导致光子只有极少数被薄膜感光处接收到，大大降低了探测器的探测效率。不仅如此，由于整个探测器芯片尺度很小(芯片总面积1.5cm×0.5cm，感光部分面积20um×20um)，光纤和超导薄膜对准过程需要纯手动操作，难度很大。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种超导单光子探测系统中光纤对准装置及光纤对准方法，以解决现有超导单光子探测系统中，不能将光纤精确对准超导薄膜的感光处的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

一种超导单光子探测系统中光纤对准装置，包括：基座、悬吊在基座上的调节装置以及光纤耦合器；

调节装置包括从下到上依次连接的固定座、中调节座以及上调节座，固定座与基座连接，中调节座分别与固定座和上调节座滑动连接并且滑动方向相互垂直；固定座、中调节座和上调节座依次设有竖直的并且相互连通的第一通孔、第二通孔和第三通孔，第三通孔上设有超导薄膜芯片；

光纤耦合器的一端连接有光纤，光纤耦合器的另一端置于第一通孔内并与固定座连接。

本发明将超导单光子探测系统中的光纤接入到光纤耦合器中，光纤耦合器由多组透镜构成，用来将从光纤进来的光束汇聚成微小的光斑并穿过第二通孔和第三通孔后照射在超导薄膜芯片上。光纤耦合器可以在第一通孔中做竖直方向上的往复运动，并通过紧定螺钉等进行固定，可以调节照射在超导薄膜芯片上的光斑的大小。滑动中调节座和上调节座，可以调整光斑照射的位置，从而可以对准超导薄膜芯片上的感光处。由于中调节座和固定座之间的滑动方向与中调节座与上调节座之间的滑动方向相反，相当于在x、y两个方向上对光斑照射的位置进行调节，光纤耦合器可以在竖直方向上做往复运动，相当于在z方向上对光斑照射的位置进行调节，即光斑在三维空间可以方便地进行调节，通过各个方向的微调，可以使微小的光斑对准超导薄膜芯片上的感光处，避免了纯手动操作带来的操作不便、对准难度大以及光斑抖动等问题。

进一步地，上述中调节座与固定座和上调节座之间分别通过倒置的梯形滑块以及与梯形滑块配合的梯形滑槽滑动连接。

本发明通过倒置的梯形滑块和倒置的梯形滑槽进行滑动连接，可以使相对滑动的两个部件(固定座和中调节座以及中调节座和上调节座)相扣，在滑动时，相对滑动的两个部件之间紧密接触，不容易出现光斑抖动现象。

进一步地，上述梯形滑槽的两端均设有位移调节器，位移调节器设有朝向梯形滑槽的缺口。

本发明的位移调节器用于防止相对滑动的固定座和中调节座以及中调节座和上调节座之间出现过度位移。缺口的深度即为此方向上最大的位移，此时梯形滑块与缺口的底壁接触。

进一步地，上述超导单光子探测系统中光纤对准装置还包括固定压条；固定压条的两端分别与固定座和中调节座连接或分别与中调节座和上调节座连接。

本发明的固定压条用于固定住相对滑动的固定座和中调节座以及中调节座和上调节座。

进一步地，上述固定压条的一端设有条形孔，条形孔的延伸方向与固定座和中调节座之间的滑动方向或中调节座和上调节座之间的滑动方向一致；条形孔中设有与固定座、中调节座或上调节座连接的螺钉。

本发明的固定压条的两端分别与相对滑动的两个部件连接，条形孔中的螺钉可以在条形孔中滑动，使得条形孔可以调节螺钉与条形孔之间的相对位置，以便两个部件相对滑动后能够通过固定压条进行固定。

一种基于上述光纤对准装置的光纤对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)将基座固定在显微镜的载物台上；将超导薄膜芯片置于上调节座上并使超导薄膜芯片置于第三通孔上，调节显微镜于超导薄膜芯片的上方；

(2)通过显微镜观察超导薄膜芯片的感光部分，并调整超导薄膜芯片使感光部分位于第三通孔的中部；

(3)待测光从光纤接入光纤耦合器中，将光纤耦合器置于第一通孔中，光束从光纤耦合器照射到超导薄膜芯片上；

(4)调节光纤耦合器在竖直方向上的位置，使光束经光纤耦合器(30)聚焦至超导薄膜芯片(50)上，并将光纤耦合器固定；

(5)通过显微镜观察，并调节中调节座和上调节座，使光束对准超导薄膜芯片的感光部分。

本发明通过三维调节光斑的位置，使微小的光斑准确地照射到超导薄膜芯片上的感光处，降低了光斑对准难度，节约了实验的前置时间。通过显微镜的观察，可以判断光束是否聚焦为光斑以及观察光斑的大小，还可以方便判断光斑是否照射在超导薄膜芯片上的感光处。

进一步地，在上述步骤(5)之后还包括步骤(6)：用固定压条将中调节座与固定座之间以及中调节座和上调节座之间连接。

本发明具有以下有益效果：

本发明可以使超导单光子探测系统中通过光纤产生的光斑在三维空间方便地进行调节，通过各个方向的微调，可以使聚焦后微小的光斑对准超导薄膜芯片上的感光处，避免了纯手动操作带来的操作不便、对准难度大以及光斑抖动等问题。

附图说明

图1为本发明的超导单光子探测系统中光纤对准装置的侧视结构示意图；

图2为图1的剖视图；

图3为本发明的超导单光子探测系统中光纤对准装置的后视结构示意图；

图4为本发明的调节装置的侧视结构示意图；

图5为本发明的调节装置的后视结构示意图；

图6为本发明的固定座与光纤耦合器的连接示意图；

图7为本发明的中调节座的结构示意图；

图8为本发明的上调节座的结构示意图；

图9为本发明的位移调节器的结构示意图；

图10为本发明的位移调节器的连接示意图；

图11为本发明的固定压条的结构示意图。

图中：10－基座；20－调节装置；30－光纤耦合器；40－光纤；50－超导薄膜芯片；61－梯形滑块；62－梯形滑槽；70－位移调节器；71－缺口；80－固定压条；81－条形孔；210－固定座；211－第一通孔；212－紧定螺钉；220－中调节座；221－第二通孔；230－上调节座；231－第三通孔；232－安置槽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

实施例

请参照图1至图3，一种超导单光子探测系统中光纤对准装置，包括：基座10、调节装置20以及光纤耦合器30。基座10呈l型，其一端水平放置并设有螺纹孔，用于固定在显微镜载物台上，另一端竖直放置并设有螺纹孔，用于与调节装置20固定。调节装置20与基座10通过螺钉固定后，处于悬吊状态，光纤耦合器30的一端从调节装置20的底部伸入并固定，另一端连接有超导单光子探测系统中的光纤40。

请参照图1至图5，调节装置20包括从下到上依次连接的固定座210、中调节座220以及上调节座230，固定座210、中调节座220以及上调节座230依次设有竖直的并且相互连通的第一通孔211，第二通孔221和第三通孔231。下调节座固定在基座10上，光纤耦合器30从固定座210的底部伸入。固定座210的顶部设有倒置的梯形滑槽62；中调节座220的顶部设有倒置的梯形滑槽62，底部设有倒置的梯形滑块61；上调节座230的底部设有倒置的梯形滑块61；固定座210与中调节座220通过配合的梯形滑槽62和梯形滑块61滑动连接，中调节座220与上调节座230通过配合的梯形滑槽62和梯形滑块61滑动，中调节座220上的梯形滑槽62和梯形滑块61方向相互垂直，使得固定座210和中调节座220之间的滑动方向与中调节座220和上调节座230之间的滑动方向相互垂直，相当于调节x、y方向上的移动。

在梯形滑槽62的两端均设有位移调节器70，用于防止梯形滑块61的过度位移。固定座210与中调节座220之间的连接处以及中调节座220与上调节座230之间的连接处均设有固定压条80，固定压条80所在的平面与相对应的梯形滑槽62的延伸方向平行。

请参照图6，固定座210的中部设有竖直的第一通孔211，第一通孔211与光纤耦合器30相互匹配，使光纤耦合器30可以在第一通孔211中做竖直方向上的往复运动。固定座210的侧壁设有螺纹孔，紧定螺钉212从螺纹孔旋进后抵紧光纤耦合器30，使光纤耦合器30在紧定螺钉212的作用固定在第一通孔211中。通过调节光纤耦合器30在第一通孔211中的位置以及通过紧定螺钉212的固定，使光纤耦合器30可以在竖直方向上进行调节，相当于调节z方向上的移动。

请参照图7，中调节座220的中部设有竖直的第二通孔221，第二通孔221与第一通孔211相对设置，光束可以顺利从第一通孔211和第二通孔221进行延伸。

请参照图8，上调节座230的顶部设有安置超导薄膜芯片50的安置槽232，安置槽232的中部设有竖直的第三通孔231，第三通孔231对准第二通孔221，光束可以顺利从第一通孔211、第二通孔221以及第三通孔231中进行延伸，并最终聚焦在超导薄膜芯片50上。

请参照图9和图10，位移调节器70的一侧设有缺口71，缺口71对准梯形滑槽62，梯形滑块61从梯形滑槽62中伸出后，会被缺口71的底部限制，防止梯形滑块61的过度位移。

请参照图11，固定压条80用于固定相对滑动的两个部件(固定座210和中调节座220以及中调节座220和上调节座230)，固定压条80的一端通过螺钉与其中一个部件连接，固定压条80的另一端设有条形孔81并且通过贯穿条形孔81的螺钉与另一个部件连接，条形孔81的延伸方向与固定座210和中调节座220之间的滑动方向或中调节座220和上调节座230之间的滑动方向一致，从而可以将两个相对滑动的部件进行固定连接，两个部件进行滑动后，通过固定压条80可以固定在调节后的位置，防止光斑照射的位置发生变化。

一种基于上述光纤对准装置的光纤对准方法，包括以下步骤：

(1)将基座10的底部通过螺钉固定在显微镜的载物台上；将超导薄膜芯片50置于安置槽232中并使超导薄膜芯片50的感光处大致位于第三通孔231的上方，再调节显微镜于超导薄膜芯片50的上方；

(2)通过显微镜观察超导薄膜芯片50的感光部分，并调整超导薄膜芯片50使感光部分位于第三通孔231的中部；

(3)待测光从光纤40接入光纤耦合器30中，将光纤耦合器30放入第一通孔211中，光束从光纤耦合器30照射到超导薄膜芯片50上；

(4)调节光纤耦合器30在竖直方向上的位置，使光束在超导薄膜芯片50上聚焦，旋拧紧定螺钉212，将光纤耦合器30固定；

(5)通过显微镜观察，并通过滑动的方式调节中调节座220和上调节座230，使光束对准超导薄膜芯片50的感光部分。

(6)旋拧条形孔81中的螺钉，将中调节座220与固定座210之间以及中调节座220和上调节座230之间固定连接。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。