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1、实验日期：2016年3月30日近代物理实验单光子计数单光子计数实验姓名：李首卿 学号：201311141049【摘要】为检测极其微弱光信号，人们发展出了使用光电倍增管将电信号自然离散化的技术针对这一特点发展起来的单光子计数技术，采用了脉冲放大、脉冲甄别和数字计数技术，大大提高了对于弱光探测的灵敏度在此实验中，我们认识并学习了以PMT为探测器的光子计数技术的基本实验原理和操作方法，研究了信噪比与接收光功率和测量时间的关系，并探究了工作温度对暗计数率和光计数率的影响关键词：PMT 甄别电平 信噪比 单光电子峰一、 引言现代科学技术很多领域，如天文光度测量、大气污染检测、化学发生、生物发光、超高分辨
2、光谱学、非线性光学以及量子信息学等，都会涉及极其微弱光信号的检测问题微弱光信号是时间上比较分散的光子流，因而由检测器输出的将是自然离散化的电信号针对这一特点发展起来的单光子技术计数，采用脉冲放大、脉冲甄别和数字计数技术，大大提高了弱光探测的灵敏度，一般可以优于10-17W，这是其他弱信号探测方法所不能比拟的光子计数技术有如下优点：第一，有很高的信噪比，基本消除了PMT的高压直流漏电流和各倍增极的热电子发射形成的暗电流所造成的影响，可以区分强度有微小差别的信号，测量精度很高；第二，抗漂移性很好，在光子计数测量系统中，PMT增益的变化、零点漂移和其他不稳定因素影响不大，所以时间稳定性好；第三，有比
3、较宽的线性动态范围，最大计数率可达107s-1二、 实验原理1、 光子流量和光流强度：光是由光子组成的光子流，单个光子的能量EP与光波频率的关系是 EP=h=hc (1)式中c为真空中的光速，h为普朗克常量，为光波长光子能量R可用单位时间内通过的光子数表示；光流强度是单位时间内通过的光能量，用光功率P表示，单位为W单色光的光功率P与光子流量R的关系是P=REP (2)当光流强度小于10-16W时通常称为弱光，此时可见光的光子流量可降到1ms内不到一个光子，因此实验中要完成的将是对单个光子进行检测，进而得出弱光的光流强度，这就是单光子技术2、 PMT输出的信号波形：PMT是一种对紫外到近红外的光
4、都有极高灵敏度和超快时间响应的真空电子管类的光探测器件，用于各种微弱光的测量PMT结构如下图所示图 1 PMT的结构示意图当光子入射到PMT的光阴极上时，光阴极吸收光子后将发射出一些光电子，光阴极产生的光电子与入射到阴极上的光子数之比称为量子效率大多数材料的量子效率都在30%以下，也就是说每三个入射光子大约只能记录下一个光阴极上发射出的电子，经聚焦和加速打到第一倍增极上，将在第一倍增极上“打出”几倍于入射电子数目的二次电子这些二次电子被加速后打到第二倍增极上，接连经过几个或是几个倍增极的增值作用后，电子数目最高可增加到108个最后由阳极收集所有的电子，在阳极回路中形成一个电脉冲信号在非弱光测量
5、中，由于光子流量较大，测得的PMT输出信号为连续信号而在弱光测量，光子流量较小，相邻两光子间的时间间隔可达毫秒量级，阳极回路中输出的是一个个离散的尖脉冲尽管光信号可以是由一个连续发光的光源发出的，而光电倍增管输出的电信号却是一个个无重叠的尖脉冲光子流量与这些脉冲的平均计数率成正比用计数的方法测出单位时间内的光电子脉冲数相当于检测了光的强度3、 单光电子峰：将PMT的阳极输出脉冲接到脉冲高度分析器，可以得到如图所示的单光电子峰分布形成这种分布的原因有以下几个图 2 PMT输出的脉冲幅度分布曲线1) 光阴极发射的电子，包括光电子和热发射电子，都受到了所有倍增级的增值因此它们的幅度大致接近；2) 各
6、倍增极的热发射电子经受倍增的次数要比光阴极发射的电子经受得少，因此前者在阳极上形成的脉冲幅度要比后者低所以图中脉冲幅度较小的部分主要是热噪声脉冲；3) 各倍增级的倍增系数不是一定值，有一定的统计分布，大体上遵守泊松分布4、 光子计数器的组成1) PMT：用于光子计数的应具有适合于实验中的工作波段的光谱响应，要有适当的阴极面积，量子效率高，暗计数率低，时间响应快，并且光阴极稳定性高除尽量采用光阴极面积小的管子外，还采用制冷技术来降低光子的环境温度，以减少各倍增极的热发射电子发射；2) 放大器：将阳极回路输出的光电子脉冲线性的放大放大器的增益可根据单光电子脉冲的高度和甄别器甄别电平的范围来选定PM
7、T与放大器的连线应尽量短，以减少分布电容，有利于光电脉冲的形成和传输；3) 脉冲高度甄别器：只有当输入脉冲的幅度大于甄别电平时，甄别器才输出一个有一定幅度和形状的标准脉冲对甄别器的要求是甄别电平稳定，灵敏度高，死时间小；4) 计数器：作用是将甄别器输出的脉冲累计起来并予以显示5、 光子计数器的噪声和信噪比：测量弱信号最关心的是探测信噪比，因此，必须分析光子计数系统中的各种噪声来源1) 泊松统计噪声：用PMT探测热光源发射的光子，相邻的光子打到光阴极上的时间间隔是随机的，对于大量的统计结果服从泊松分布；2) 暗计数：PMT的光阴极和各倍增极还有热电子发射，即在没有入射光时，还有暗计数虽然可以减低
8、管子的工作温度、选用小面积的光阴极以及选择最佳的甄别电平使暗计数降到最小，但对于极其微弱的光信号，仍是一个不可忽视的噪声来源；3) 脉冲堆积效应：是计数率较高时的主要误差来源当后续光电子脉冲与前一个脉冲的时间间隔小于分辨时间时，阳极回路只输出一个脉冲；而且甄别器有一定的死时间，在死时间内输入的光电子脉冲，甄别器无相应的输出；4) 光子计数系统的信噪比：在光子计数系统中，存在着光阴极和倍增极的热发射等引起的暗计数若设Nt和Nd为在时间t内测得的总计数和暗计数的平均值，Rp和Rd分别为光电倍增管的光子计数率和暗计数率，按误差理论，信噪比可按下式计算：SNR=Nt-NdNt+Nd (3)为消除光源的
9、不稳定性等系统随机误差，计数要对多次测量取平均值下面的实验步骤中只给出积分时间，相应的测量次数由“积分时间测量次数=100s”三、 实验装置实验装置采用的是单光子计数实验系统，其中包含有计算机、甄别器、放大器、高压电源、制冷器、PMT、减光片组、光阑组、透镜、功率计、分束器和光源光源采用的是高亮度发光二极管，为提高入射光的单色性，仪器备有窄带滤光片，其半宽度为18nm；接收器具有高灵敏度、高稳定性、低暗噪声等特点，用半导体制冷器来降低PMT的工作温度，最低可达到-20；光路中为了减少杂散光的影响和降低背景计数在PMT前放置一个光阑筒，内设光阑三片另外，在筒的另一边有用来连接减光片的螺纹接口，可
10、根据需要放置减光片、窄带滤光片等本实验备有减光片5组，窄带滤光片一块四、 实验步骤(一) 开机1、 打开冷却循环水机，以减少PMT受环境温度变化的影响但先不要打开制冷器打开单光子技术系统的总开关，光电倍增管的工作电压已固定不需调整；2、 打开功率计，200W档，预热2分钟后调零打开光源，观察光源指示和功率计指示，直到稳定才能开始测量每次重新打开光源都需要一定时间使光强稳定；3、 打开示波器，调整参数打开计算机，运行单光子计数系统软件(二) 确定甄别器的最佳阈值1、 用示波器观察光电倍增管阳极输出脉冲和甄别器输出脉冲的波形特征，并记录两路信号的特点；2、 初步确定甄别电平取值范围：调整入射光功率
11、P010-13W，在计数系统软件中，将“采样模式”设为阈值方式；设置“起点”为10，“终点”为100，“积分时间”为1s；其余设置参数取默认；3、 测量PMT输出脉冲幅度随电压的分布测量完毕，点击“数据/图形处理”菜单中的“微分”，并纵向扩展曲线后，可得到PMT输出脉冲幅度分布的微分曲线最小计数率对应的电平为甄别电平，其对应的道址为N说明：在阈值模式中，信号的电平总测量范围为25V，测量道址总数为256，道址的变化间隔约为10mV；4、 设定甄别电平取值道址范围为N-4到N+8（取值范围也应根据实际情况，取值间隔为2）对于每个甄别电平，测量其信噪比，具体操作如下：将“采样模式”设为时间方式；测
12、量次数为终点数值减去起点数值，设定“积分时间”为1s）分别测量总计数平均值Nt和暗计数平均值Nd通过计算信噪比，确定最佳甄别电平，即甄别器的阈值(三) 研究信噪比与测量时间和入射光功率的关系1、 信噪比SNR与测量时间t的关系保持入射光功率P010-13W通过设定“积分时间”为01s、1s、10s、25s、50s等改变测量时间，并选择相应的测量次数，分别进行测量由测量结果进行计算并绘图，说明信噪比SNR与测量时间t的关系；2、 信噪比SNR与入射光功率P0的关系设定“积分时间”为1s，通过选择减光片组和调整光源强度，改变入射光功率P0为10-12W、10-13W、10-14W和10-15W等量
13、级，分别进行测量由测量结果进行计算并绘图，说明信噪比SNR与入射光功率P0的关系(四) 研究工作温度T对PMT的暗计数率Rd的影响1、 关闭光源，“采样模式”设为时间方式，“阈值”设为最佳甄别电平，积分时间不变；2、 打开半导体制冷器，观察当前设定温度是不是位于25，若不是，应迅速将温度设定到25；3、 工作温度从室温开始直到-20，每隔5测量一次改变温度后需耐心等待温度稳定，当温度变化范围不超过1后， 可测量该温度下的暗计数率Rd画出曲线，并进行分析测量结束后一定要将制冷机设定温度设回到25五、 数据分析(一) 确定甄别器的最佳阈值按照实验步骤中的操作进行电脑软件的设置，我们可以得到PMT输
14、出脉冲幅度随电压的分布，通过图形处理并且纵向拓展曲线后，可得到PMT输出脉冲幅度分布的微分曲线（如下图所示）此图非常漂亮，和通过实验原理预期的曲线非常接近我们可以分析：左侧第一个极为突出的峰是各级倍增极的热发射电子形成的峰，而后面第二个较为平缓的小峰则为光电子表现出来的峰因此，根据最小计数率对应的电平为甄别电平这一原理，并且利用软件中数据读取功能我们可以得到最佳甄别电平的道址应该为图中表示出来的点，道址的数目为24虽然所画曲线可以非常清晰地看出最佳甄别电平所对应的道址但是，下面我图 3输出脉冲幅度分布们将进一步确定最佳甄别电平所对应的道址设定甄别电平取值道址范围为20到32，我们对于每个甄别电
15、平，分别测量总计数平均值Nt和暗计数平均值Nd通过计算信噪比，确定最佳甄别电平，即甄别器的阈值表格 1 最佳甄别电平道址确定道址数202122232426283032总计数平均值7658.1452284.5151226.638826.508286.037167.945411.503307.261648.38暗计数平均值113.5950960.0148531.3859.8645.5238.6429.3617.709.51信噪比85.584.128.5393.0090.2883.9872.9757.0540.25通过此表格我们可以看出来信噪比在道址数取值为23时达到最大，此即我们所要确定的最佳甄别电平道址(二) 信噪比与测量时间的关系保持入射光功率P010-13W通过设定“积分时间”为01s、1s、10s、25s、50s等，改变测量时间，并选择相应的测量次数，分别进行测量由测量结果进行计算并绘图
