物理学上一些重大突破背后的光技术

在20世纪80年代初，日本物理学家Masatoshi Koshiba正在建造一个开创性的实验设施，以探测来自太阳的中微子。中微子是不带电的、不可见的，而且出了名的难以探测。要想看到类似幽灵的亚原子粒子存在的证据，需要精密的设备和灵敏的仪器，而当时这些设备还不存在。

中微子通常会穿过地球而不与地球相互作用，但人们知道，中微子偶尔会与水相互作用，释放出比光速还快的粒子，从而引起微弱的蓝色闪光——在核反应堆池中看到的可怕的切伦科夫辐射。然而，探测闪光并将其转换为可测量的电信号需要将其放大1000万倍。

“当时可用的最大的光电倍增管直径为8英寸(20厘米)，但我们需要的是20英寸(51厘米)的宽视场管，”日本滨松光电(Hamamatsu Photonics)的首席执行官丸野忠(Tadashi Maruno)解释说。Koshiba教授转向Hamamatsu合作开发这种新型探测器。这是一项艰巨的挑战，不仅是技术方面，而且所需的试管数量也非常之多——几乎有1000根。”

这是滨松目前闻名于世的那种技术开发伙伴关系的一个例子。这最终导致了小叶被授予2002年诺贝尔物理学奖，因为他的实验使用了滨松制造的光电倍增管。2015年，第二个诺贝尔奖授予了小叶的继任者梶田隆明，他使用由11,000多个滨松光电倍增管组成的设备证明了中微子振荡的存在。

不仅仅是光学技术

滨松光子学产品，如x射线管和一系列光探测器和激光器被发现在数百万医疗，工业和商业设备中。但正是对科学和社会的贡献，推动该公司应对物理学和先进光子学技术方面的重大挑战。

Maruno说:“Hamamatsu在20世纪50年代开始生产真空光电倍增管，它们今天仍在广泛使用，有成千上万只。”“在过去的70年里，我们开发了一系列广泛的设备，其中许多是独特的，是为特定的研究或工业需求开发的。我们是唯一一家能够生产从x射线到红外全光谱探测器和发射器的公司，我们一直在不断突破我们中央研究实验室的极限。”

滨松公司生产的独特硅条探测器和其他部件是欧洲大型强子对撞机首次探测到希格斯玻色子(负责质量的亚原子粒子)的关键部件。这一期待已久的突破也在2013年获得了诺贝尔奖。

下一个前沿

为了追求更灵敏的光探测，丸野走过了几十年的旅程，实现了曾经难以想象的目标——空间解析光子的数量。

传统的光电倍增管捕捉最微弱的光并产生可用于分析的电信号，但光仅被分解为聚集发射。计算单个光子的能力将为研究开辟全新的可能性，特别是在量子应用中，对纠缠光子对中的光子进行单独观察将是无价的。

Maruno说:“我一直对低光成像和检测感兴趣，我在各种设备上工作了近40年。”“我一直想知道是否有可能探测单个光子。近年来，我们开发了一种基于硅的设备，可以检测离散的光子事件，但它不能区分一次到达的单个光子和多个光子。我们新的ORCA-Quest设备是一个二维光子探测像素阵列，第一次可以可靠地区分和计数单个光子。”

造成噪音

基于标准半导体技术和制造方法，ORCA-Quest相机能够检测单光子，这归功于将设备噪声降低到几乎为零。在这种情况下，“噪声”指的是由设备的电子器件、半导体系统中的原子杂质、环境和其他光源引起的任何干扰。事实上，在单光子水平上，几乎任何东西都可以产生足够的噪声来淹没单光子信号。

Maruno说:“我们专注于降低噪声，这对于能够检测单个光子至关重要。”“通过降低读出电子器件的速度并消除所有其他噪音源，我们成功地将噪声降低到0.27电子水平。我们希望通过未来的改进将其降至0.15个电子，这将使我们能够将时间分辨率提高到目前每秒2万个样本的极限。”

这种能够在空间上分辨光子数的相机有望有许多研究应用，包括对偶性、叠加和纠缠等量子现象的研究，以及生物物理过程的研究，如跟踪单分子和超灵敏的全反射内反射荧光显微镜。

赋予未来科技力量

滨松正在开发许多新设备，并与学术、工业和商业伙伴合作，创造支持新的和未来应用的技术。

Maruno说:“我们的实验室通常有10-20年的发展周期，这使我们能够接受起初看起来不太可能的挑战。”“非常重要的是，我们有一种强大的企业文化，即利用这些挑战来获得新的经验和知识，无论最终是否成功。”

通过这种方式，滨松正在努力成为独特的研究合作的一部分，探索未知的领域，满足支持科学和社会的真实需求，以70年持续积累的知识和专业知识为后盾。

Maruno说:“例如，我们现在正在开发超输出激光源，它正在成为聚变能源的关键技术。”“为了做到这一点，我们正在与世界上一些最先进的实验室合作。”

“光子学已经在科学和我们的日常生活中发挥着至关重要的作用，”他补充道。“但我们相信，它还有更多的东西等着我们，它将是我们向可持续未来过渡的关键技术。”