基于超导单光子探测器的红外光学系统噪声分析和优化*

周飞 陈奇 刘浩 戴越 魏晨 袁杭 王昊 涂学凑 康琳 贾小氢 赵清源 陈健 张蜡宝† 吴培亨

1) (南京大学电子科学与工程学院,超导电子学研究所,南京 210023)

2) (网络通信与安全紫金山实验室,南京 211111)

高灵敏度的红外探测系统对于远距离探测有巨大的潜力,但光学系统内部的噪声会抑制探测系统的信噪比,从而降低探测灵敏度与探测距离.本文基于红外超导纳米线单光子探测器,设计了一个工作在中红外波段的光学系统,构建了红外光学系统自发辐射计算模型,理论分析了红外光学系统的信噪比和噪声特性.首次提出了利用高性能超导单光子探测器精确表征红外光学系统的微弱背景辐射光信号,为优化设计红外系统提供了依据.并且基于超导单光子探测器的光子计数能力,研究了光学系统的背景辐射对红外探测系统性能的影响,并优化了光学系统的性能.实验结果表明,超导单光子探测器对于分析红外光学系统具有较高的灵敏度,最小可分辨移动距离为2.74 × 10–2 mm,在黑体温度为100 ℃时,光子计数率提高了6.4 × 104 cps(1 cps=1 cycle per second),光学系统的耦合效率提升了97%;在黑体温度为102 ℃时,光子计数率提高了9.1 × 104 cps,光学系统的耦合效率提升了114%,降低了杂散辐射对探测系统的影响,同等条件下系统信噪比提升2.7 倍,对于超导红外探测系统的应用研究具有重要意义.

1 引言

制冷型[1–3]红外探测器相比较于非制冷型[4–6]探测器具有更低的暗噪声,从而可以获得更高的信噪比[7],在军事探测[8]和安全监测[9,10]领域中得到了广泛的应用.制冷型红外探测器目前得到了广泛的研究,超导纳米线单光子探测器(superconducting nanowire single-photon detector,SNSPD)是一种制冷型光子计数探测器,可以对极其微弱的光进行探测,因此具有较高的灵敏度.陈奇等[11]制备了一个工作频带为5—10 μm 的SNSPD,该探测器在波长6 μm 处可以实现饱和的量子效率,在1.55—5.07 μm 宽光谱处可实现近饱和量子效率.此外,当探测器工作在0.9 倍于纳米线超导跃迁电流的偏置电流下,在10.2 μm 波长处量子效率达到53%.然而,在常温下,仪器自身的热辐射会对探测系统的灵敏度造成极大干扰,严重时会淹没探测目标信号.因此,提高红外探测的信噪比和降低背景噪声是提升红外探测系统灵敏度的关键.

高灵敏度的红外探测系统要求具有较低的噪声,红外噪声的分析是当前红外领域的研究热点.张立帅和吴平[12]根据红外光子探测器的基本原理,推导了背景辐射的光子噪声,并根据理论分析提出了提高背景限制下比探测率的方法.杨宗耀等[13]针对应用场景的噪声抑制需求,利用仿真软件对红外辐射进行了噪声模拟分析,揭示了结构设计对噪声特性的影响机制.贾天石等[14]从线缆、采集电路、电源和偏压等部分分析了系统的噪声,并实现了对电路噪声的抑制,有效降低了系统噪声.唐国良等[15]借助称重测量原理的噪声抑制效果,对短波红外高光谱成像系统探测器噪声和光子噪声进行了分析,并通过仿真计算了系统噪声抑制效果.马宁等[16]对红外热像仪的空间噪声和时间噪声进行了分析,主要分析了积分时间和定标校正过程中标定点的温度对噪声的影响,通过不同像素对靶标区域的响应值的标准差来表征.

目前对红外辐射和红外噪声的抑制方案已经得到了广泛的研究,其中绝大部分采用软件分析来表征红外系统的噪声性能和噪声抑制水平[17–19],一部分则是通过弥散斑和偏压噪声来表征[20,21].本文中的红外光学系统自身产生的辐射到达探测器的辐通量远低于纳瓦量级,常规红外探测器灵敏度受限,很难定量研究.SNSPD 作为光子计数型探测器,可以对单个光子进行探测,利用SNSPD 的光子计数能力可以对杂散辐射以及光学系统的噪声特性进行表征,所以红外SNSPD 成为研究红外光子噪声的重要工具.本文基于SNSPD 的光子计数能力,对红外SNSPD 的光学系统的背景辐射进行了理论分析,并建立了基于SNSPD 的红外光学系统自发辐射模型,分析了SNSPD 红外光学系统与噪声等效温差(noise-equivalent temperature difference,NETD)的关系.通过SNSPD 定量表征了红外光学系统的背景光子计数特性,并基于此优化设计了光学系统,提高了红外 SNSPD 光学系统的信噪比.

2 实验部分

2.1 红外SNSPD 测量系统

制冷型红外探测系统具有灵敏度高、暗噪声低的优点,更加适用于远距离探测和背景辐射严重的场景探测.本文借助SNSPD 的光子计数能力对光学系统的性能进行表征与分析.搭建的红外SNSPD的测量系统结构示意如图1(a)所示,包含黑体源、光学系统、制冷机、SNSPD 和电学读出部分组成.作为红外光源,黑体源采用的是MIKRON 的M305红外光源,温度范围为100—1000 ℃.制冷机的3 层窗口片均为在0.6—16 μm 有较高透过率的硒化锌窗口片,制冷机结构由4 层结构组成,为SNSPD提供可正常工作的超低温环境,4 层制冷结构由外到内的温度分别为300 K,40 K,3 K 和0.05 K.SN SPD 安装在制冷机的最内层0.05 K 的制冷结构中,光敏区域的方向正对着窗口的方向.为减小能量损失,所有光学元件中心以及SNSPD 的光敏区域的中心均在同一光轴上.黑体源被固定在气浮减震平台上以减小结构扰动带来的干扰,黑体辐射经过光学系统和4 层窗口片后,聚焦耦合至SNSPD的光敏面上,SNSPD 的光敏区域接收到光子后产生响应,并通过电学读出实现光子探测与光子计数.

图1 (a) 红外SNSPD 的测量系统结构示意图;(b) 红外测量系统实物图Fig.1.(a) Schematic measurement system diagram of infrared SNSPD;(b) the optical part of an infrared measurement system.

2.2 仿真分析与模型建立

高灵敏的红外探测系统具备很高的温度分辨能力,可实现更加精密的热红外探测,相关探测灵敏度通常通过噪声等效温差(NETD)来表征.NETD象征着探测器能探测到的目标物体与背景之间的最小温差,其计算公式为

其中VRMS代表噪声的均方根,ΔT为目标与背景的表观温差,ΔV为温度变化为ΔT时对应的电压信号变化量,NNETD为此时NETD 的值.NNETD越小,象征着探测系统的探测灵敏度越高,探测系统的灵敏度主要受噪声的强度影响,噪声的强度越低,对信号光的影响就越小.目前基于SNSPD 的NETD 的计算公式尚未见报道,但可以确定的是,在相同条件下,SNSPD 红外探测系统的灵敏度越高,光子计数率越高,噪声计数越低,有利于提升NETD 性能.因此,若要提升探测系统的灵敏度,首先需要对探测系统的信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)和噪声特性进行分析.SNSPD 通过光子计数率(photon count rate,PCR)来表征信号光的强度,PCR 的值越大,信号光强度越大.背景计数率(background count rate,BCR)用来表征背景辐射的强度,故定义SNSPD 探测系统的信噪比[22]模型为

其中,nP为PCR 的值,nB为BCR 的值,RSNR为该时刻的信噪比的值.根据(2)式,若要提高探测系统的RSNR,首先应确保nB远小于nP,降低背景辐射对探测目标带来的干扰.其次是提高探测系统的nP,增大目标辐射到达探测器光敏区域的光子数.根据图1(a)所示的红外SNSPD 探测系统可以得知,探测系统的光学部分如黄色虚线部分所示.光学系统由于其原子的热运动,时刻向外辐射能量,根据维恩位移定律,黑体辐射光谱出射峰值波长λm与温度T之间的关系为

通过(3)式可以看出,黑体辐射的峰值波长随温度的升高向短波长方向移动.故对于室温的光学系统而言,其在红外波段辐射量较大,因此光学系统相当于探测器前的一个红外光源.如果光学系统的噪声特性不够理想,会导致光源淹没在探测系统本身产生的背景辐射中,因此需要定量分析光学系统带来的辐射以及其对红外探测系统性能的影响.

黑体源产生的红外辐射在到达探测器光敏面之前,会经过光学系统和4 层窗口片,故红外探测系统的自发辐射分为两部分,一部分是制冷机外部的光学系统带来的自发辐射,另一部分是制冷机窗口片带来的自发辐射.实验方案中的光学系统总共包含一个反射镜、一个耦合透镜和4 层窗口片,本文以这6 片镜片作为对象,建立光学系统自发辐射模型.在系统光路上,按照距离探测器由近到远的镜片的顺序依次为: 0.05 K 窗口片L1,3 K 窗口片L2,40 K 窗口片L3,300 K 窗口片L4,聚焦透镜L5 和反射镜L6.设第i面镜片的发射率为εi,若为透射镜片,透射率为ρi,若为反射镜片,反射率为ρi,温度为Ti.对于窗口片L1 而言,两个面分别向两个相反的方向产生自发辐射,故到达探测器的自发辐射是L1 总自发辐射的一半,则L1 镜面产生的自发辐射传播到探测器的辐照度为

其中F为光学系统的相对孔径的倒数,L2 的自发辐射向探测器方向传播,当通过L1 时,由于L1 的透射率并不是100%,故有

同理,窗口片L3 和L4 的传播过程和L2 类似,L3和L4 到达探测器上的辐射照度为

因此,可以计算出4 层窗口片到达探测器的总的红外辐射照度为

其中,L(T)为温度为T时标准黑体的辐亮度.

对于耦合透镜L5 和反射镜L6,其传播过程与窗口片自发辐射的传播过程类似,故L5 和L6 到达探测器的红外辐射为

故L1—L6 的光学系统到达探测器总红外辐射照度为

普朗克公式阐明了黑体辐亮度L(T)与温度T之间的关系为

其中,c1是第1 辐射常数,c2是第2 辐射常数.本方案中采用的硒化锌窗口片的厚度为3 mm,直径为25.3 mm,在3—5 μm 波段的透射率约为72%,吸收系数为4 × 10–4cm–1.因此对于4 层硒化锌窗口片而言,ε1=ε2=ε3=ε4=1.2 × 10–4,由于L1的内表面置于0.05 K 温度下,L2 的内表面置于3 K 温度下,故T1=0.05 K,T2=3 K,由于T1和T2温度较低接近绝对零度,故L1 和L2 产生的红外辐射可忽略不计.根据L3 和L4 的内表面所处的环境温度和(12)式计算得到:L(T3)=4.96 ×10–28W/m2,L(T4)=5.86 W/m2,可以看出4 层窗口片的总红外自发辐射主要是最外层窗口片提供的,故可以得到E窗=2.90 × 10–6W/m2.耦合透镜L5 采用的是氟化钡镜片,厚度为3.8 mm,直径为25.3 mm,在中红外波段的透光率约为90%,吸收系数为3.2 × 10–6cm–1.故可以得到E5=2.14 ×10–8W/m2,而反射镜的反射率大于99%,故发射率小于1%,在理论计算自发热辐射时可以忽略不计.通过对比发现,虽然窗口片L1 — L4 距离探测器较近,但由于其朝向探测器的发射面处于制冷环境中,其产生的自发辐射远低于距离光敏面较远的处于常温环境中的L5,制冷环境抑制了光学系统的热辐射,降低了红外光学系统的噪声.

通过以上计算,可以得到光学系统的总辐照度E总=2.93 × 10–6W/m2.由于本方案中使用的探测器的光敏面大小为10 μm × 10 μm,故光学系统在探测器光敏面上的辐通量为2.93 × 10–16W.

通过对光学系统中镜片的自发辐射的分析,得到了光学系统镜面自发辐射与红外探测光敏面上辐照度之间的关系,进而可以得到该红外SNSPD光学系统的自发辐射模型.假设黑体源产生的红外辐射照度为E源,则由光学系统的结构可知,在理想情况下,到达探测器的辐照度E黑为

根据(13)式即可得知当黑体温度为300 K 时,黑体产生的红外辐射经光学系统和4 层窗口片的辐照度为:E黑=1.42 W/m2,结合探测器光敏面的大小可知,在探测器光敏面上的辐通量为1.42 ×10–10W.通过理论分析可以看出,在黑体源温度为300 K 时,背景辐射在探测器上的辐通量远小于辐射源在探测器上的辐通量,该光学系统理论上具有较低的自发辐射和较高的信噪比,对开展实际的实验测量具有一定的指导意义.

2.3 实验结果与分析

根据(1)式可知,当温度变化ΔT时,NNETD随着输出电压噪声的均方根的增大而增大,与ΔT内电压的变化量成反比.从提高红外探测系统的灵敏度出发,需要降低NNETD,就需要降低输出电压噪声的均方根,即降低光学系统的噪声对红外探测系统的影响,同时需要提高ΔT内输出电压的变化量,提高探测系统的信噪比.对于SNSPD 而言,其光子计数能力对于定量地表征光学系统的噪声特性有着独特的优势.SNSPD 通过nP来表征探测目标辐射的强度,故对于SNSPD 而言,ΔT温度变化范围内光子计数率的变化量ΔnP即等效于半导体探测系统中输出电压的变化量ΔV,而噪声则是通过nB来表征,所以可以推出,SNSPD 探测系统的NNETD与ΔnP正相关,与BCR 的均方根σBCR负相关,同时与探测系统的RSNR正相关.

图1(b)所示为本方案的红外SNSPD 空间测量系统实物图,黑体校准源出射口的直径大小为25.4 mm.黑体产生的红外光源经出射口到达反射镜,再经反射镜反射后经过透镜聚焦,并穿过4 层窗口片后到达探测器的光敏区域.为保证光学系统的稳定性,从黑体源到制冷机最外层窗口之间采用25.3 mm 的同轴光学系统.为了避免外界杂散辐射进入光学系统,本方案采用可调节屏蔽套管来阻止外界杂散辐射的进入,从而确保nB足够小.本方案设计并制备了一个中红外SNSPD,器件采用双面抛光的硅衬底,并且在硅衬底上制备了一层MoSi 超导薄膜,在超导薄膜上沉积了一层金作为SNSPD 的电极,最终经过电子束曝光刻蚀出纳米线,图2(a)所示为该SNSPD 的纳米线区域在扫描电子显微镜(SEM)的观测图.所制备的SNSPD的光敏面的大小为 10 μm×10 μm,电流-电压特性曲线如图2(b)所示,器件的超导临界电流为3.2 µA.

图2 (a) SNSPD 的SEM 观测图(纳米线的线宽为30 nm);(b) SNSPD 的电流-电压特性曲线Fig.2.(a) SEM image of SNSPD (the line width of the nanowire is 30 nm);(b) I-V characteristic curve for measurement of SNSPD.

首先,利用SNSPD 的光子计数能力表征光学系统带来的背景辐射,当黑体源关闭时,偏置电流固定在2.79 µA,在5 min 内观测光子计数情况如图3(a)所示,5 min 内探测系统的nB波动较小,均值为1.0×105cps,均方根σBCR为454 cps,nB和σBCR以光子数的形式定量表征了光学系统自发辐射所产生的背景噪声及其抖动,结果表明该光学系统本征热辐射较小,与仿真分析较为吻合.同时,如仿真结果,该系统接收的背景辐射功率非常低,远小于10–10W,很难用常规的光功率计测量.因此,我们采用高灵敏度的SNSPD 对背景计数进行定量表征.为探究黑体温度与nP的关系,保持偏置电流不变,将黑体温度分别设置为400,500,600,700 和800 ℃,结果如图3(b)所示.当黑体温度为400 ℃时的PCR 的均值为2.7 × 105cps,标准差为1.2 × 103cps.当黑体温度为800 ℃时,nP均值为3.5 × 106cps,标准差为4.4 × 103cps,400 ℃的温差内nP的变化量ΔnP为3.2 × 106cps,nP随着温度的升高而大幅度增大,验证了超导单光子探测器在光学系统分析领域的能力.同时为了探究当ΔT较小时,ΔnP的变化情况,将黑体温度设置为405,505,605,705 和805 ℃,探究当ΔT为5 ℃时,ΔnP与温度之间的关系,结果表明: ΔnP随着温度的升高而增大,同时可以看出,在固定的温度下,若要提高ΔnP,首先应该提高nP.

图3 (a) 探测系统的nB (200 s 内的标准差为454 cps);(b) 不同温度下的nP 和ΔnPFig.3.(a) nB of the infrared optical system (the standard deviation in 200 s is 454 cps);(b) nP and ΔnP on different temperature.

对于光子计数型探测器而言,nB越大,表明探测系统中的噪声越大,因此,要想提高探测系统的灵敏度,就要提高探测系统的RSNR,一来通过提高探测系统的nP来提高ΔnP的值,二来是通过降低nB,减小光学系统由于自发辐射带来的噪声.为了提高nP,首先要确保光学系统的出射口的黑体辐射光斑与SNSPD 的光敏区域尽可能同轴,从而保证较高的空间耦合效率.黑体出射口的直径为25.3 mm,而探测器光敏面的大小远小于黑体出射口的大小,若要保证耦合聚焦之后的光斑都照射在探测器的光敏区域,则需要确保探测器与黑体辐射光斑同轴,从而确保尽可能少的能量损失.SNSPD的光子计数能力能够对空间耦合效率实现确切的数值表征.在黑体源开启且温度固定的情况下,SNSPD 所能探测到的光子数越多,即nP越大,表明此时具有较低的能量损失和较高的空间耦合效率.将偏置电流固定在2.79 µA 时,在光学系统中不包含聚焦透镜的情况下,将黑体温度设置为100 ℃,通过微调黑体下方的光学平台来控制光学系统出射口光斑的位置,探究光学系统出射口光斑位置与nP之间的关系.为进一步探究该系统的灵敏度特性,将ΔT进一步缩小为2 ℃,探究nP与黑体出射口位置之间的关系.

由于SNSPD 安装在制冷机最内层,无法实时观测SNSPD 与光学系统出射口的耦合情况,仅有窗口区域允许制冷机内部与外界进行通信.然而较低的耦合效率会带来较大的能量损失,导致nP的降低,从而影响SNSPD 探测系统的NETD 性能.SNSPD 的光子分辨能力可以通过光子数定量地表征辐射源与SNSPD 的光敏区域的空间耦合的情况,通过微调光学平台来移动光学系统和制冷机窗口的位置,实时观测nP的变化,在水平面上向一固定方向平移,在2 mm 移动范围内,如图4(a)所示,当黑体温度为100 ℃时,移动前nP的均值为7.6 × 104cps,移动后nP的均值为4.2 × 104cps.如图4(b)所示,当黑体温度为102 ℃时,移动前nP的均值为7.9 × 104cps,移动后nP的均值为4.7 × 104cps.通过对比可以得知,当温度固定不变时,黑体源出射口在2 mm 的移动范围内,nP的变化达到3.4 × 104cps,由此可以看出,系统微小的移动也会导致光子数产生较大的变化,对表征光学系统的表征具有较高的灵敏度.故可以推测,当nP的变化数值与σBCR相当时,此时的移动距离即为SNSPD 可分辨的系统最小移动距离,由于该光学系统的σBCR为454 cps,故经过计算SNSPD 可识别的系统最小移动距离为 2.74 × 10–2mm,可以实现对极其微小的抖动进行识别,因而有望应用于精密仪器的监测领域.

图4 (a) 100 ℃温度下,2 mm 移动范围内nP 的变化情况(nP1 为未移动时的光子计数率,nP2 为水平移动2 mm 后的光子计数率);(b) 102 ℃温度下,2 mm 移动范围内nP 的变化情况(nP3 为未移动时的光子计数率,nP4 为水平移动2 mm 后的光子计数率);(c) 100 ℃温度下,使用耦合透镜前后的nP (nP5 为未使用聚焦透镜时的光子计数率,nP6 为使用聚焦透镜时的光子计数率);(d) 102 ℃温度下,使用耦合透镜前后的nP (nP7 为未使用聚焦透镜时的光子计数率,nP8 为使用聚焦透镜时的光子计数率).图(a)—(d)中实线对应横坐标为各nP 对应的180 s 内的均值,τ 为对应的标准差Fig.4.(a) At 100 ℃,the changes of nP within the 2 mm moving range at 100 ℃ (nP2 is the photon count rate without moving,nP1 is the photon count rate after moving 2 mm horizontally);(b) changes of nP within the 2 mm moving range at 102 ℃ (nP4 is the photon count rate without moving,nP3 is the photon count rate after moving 2 mm horizontally);(c) nP before and after using the coupled lens at 100 ℃ (nP5 is the photon count rate when the focusing lens is not used,nP6 is the photon count rate when the focusing lens is used);(d) nP before and after the coupling lens is used at 102 ℃ (nP7 is the photon count rate when the focusing lens is not used,nP8 is the photon count rate when the focusing lens is used).In panels (a)–(d),the horizontal coordinate corresponding to the solid line is the mean value of each nP within 180 s,and τ is the corresponding standard deviation.

由于黑体源出腔口的大小远远大于探测器光敏面的大小,所以即使通过微调光学系统出射口与制冷机窗口的相对位置使光源与SNSPD 的光敏面同轴,也会存在大量红外辐射传播至探测器光敏面之外的位置,导致大量的能量损失.为降低能量损失,使更多的红外辐射到达探测器光敏面,需要使用聚焦透镜来缩小黑体辐射的光斑,使得红外辐射被尽可能地耦合至探测器光敏区域,从而提高nP.如图1(a)所示,黑体源产生的红外辐射经反射镜传播至SNSPD 的光敏面上,其中出射口到反射镜中心的距离为6.5 cm,反射镜中心到制冷机内探测器位置的距离为38.3 cm.首先利用光功率计在制冷机最外层窗口处对红外辐射进行了测量,黑体温度固定在100 ℃时,功率计10 mm × 10 mm的感光区域内接收到的辐射光功率为0.172 mW,根据光功率与光子数之间的关系,通过计算可以得知此时的光子数为2.59 × 1015个,则此时经过4 层窗口片后到达探测器光敏面的光子数为6.90 ×108个.当在制冷机最外层增加一片焦距为150 mm的聚焦透镜时,到达探测器光敏面的光子数应为7.18 × 109个,通过理论计算得知,聚焦透镜可以大幅提升黑体红外辐射与SNSPD 的空间耦合效率.因此本实验中选用在红外波段具有高透光率的氟化钡聚焦透镜,加入到该测量系统当中,在保持偏置电流不变的情况下,将黑体源的温度分别固定在100 ℃和102 ℃时,在10 min 内观察nP的情况.通过图4(c)可以看出,当黑体温度为100 ℃时且未对黑体光斑聚焦时,nP的均值为7.6 × 104cps,而当加入聚焦透镜后,nP的均值为1.5 ×105cps,通过加入聚焦透镜前后光子数的对比可以得知,耦合效率提升了大约97%.如图4(d)所示,当黑体温度为102 ℃时且未对黑体光斑聚焦时,nP的均值为7.9 × 104cps,而当加入聚焦透镜后,nP的均值为1.7 ×105cps,透镜的加入使耦合效率提升了大约114%,在考虑到SNSPD 的量子效率与吸收效率后,实验结果与仿真计算结果呈现出较高的吻合度.对比图4(c)与图4(d)可知,2 ℃的温差范围内ΔnP的数值提升了1.6 × 104cps.通过设计的光学系统,将信噪比提升了2.7 倍,并且对聚焦透镜给光学系统带来的影响进行了光子级别的表征.

为提升测量系统的RSNR,除了提升nP,有效抑制nB也尤为重要.在红外聚焦透镜的下方,利用两端长度可调节套管将其构成三明治结构,其中上层套管有两个作用,一来用于调节焦距,二来根据焦距调节聚焦透镜到制冷机窗口之间的长度,下层套管负责调节焦距和根据焦距调节聚焦透镜到反射镜的距离,从而确保光学系统的常温部分没有外界杂散辐射的引入.除了本文所采用的在常温部分通过屏蔽套管抑制外界杂散辐射外,制冷机内部设计也能大大降低nB,可以通过在探测器前端增加一个效率为100%的冷阑,只允许探测目标的辐射通过该冷阑.还可以通过在制冷机最内层结构的内壁涂敷黑色金属图层,降低制冷机内部杂散辐射的干扰.

3 结论

SNSPD 的光子计数能力是对红外光学系统噪声特性定量表征的一种新颖且重要的方式,对红外光学系统的发展具有重要的意义.本文理论分析了红外SNSPD 光学系统的噪声的来源,并建立了基于SNSPD 的红外光学系统的信噪比与背景辐射计算模型,首次提出了利用SNSPD 表征红外光学系统的背景辐射强度,并且基于SNSPD 的光子计数能力分析了SNSPD 红外光学系统的性能与NETD 和SNR 的关系.实验表明SNSPD 可识别的系统最小移动距离为2.74 × 10–2mm,并通过对光学系统的分析与优化,在黑体温度为100 ℃时,空间耦合效率提升了97%,信噪比提升了2.7 倍,对高灵敏度的超导红外探测系统的研究具有一定的指导意义.