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1、单光子计数1、实验目的1）了解单光子计数工作原理。2）了解单光子计数器的主要性能，掌握其基本操作方法。3）了解用单光子计数系统探测微弱光信号的方法。2、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，单个光子的能量与光波频率V的关系是 二 h V 二 he / 九式中 c 是真空中的光速。光子流量可用单位时间内通过的光子R表示，光流强度是单位时间内通过的 光能量，常用光功率P表示。单色光的光功率P与光子流量R的关系是：P = R 如果光源发出的是波长为630nm的近单色光，可以计算出一个光子的能量为 = 3.13 *10 -19 J当光功率为10 -16 W时，这种近单色光的光子流量为R
2、 = 3.19 *10 2 s-1当光电流强度小于10 -16 W时，通常称为弱光，此时可见光的光子流量可降到 一毫秒内不到一个光子，因此试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，这就是单光子计数。2）测量弱光时光电倍增管输出信号的特征光电倍增管在实验 1.2中已作介绍，其结构原理如图所示。当光子入射到光 电倍增管的光阴极上时，光阴极吸收光子后将发射出一些光电子，光阴极产生的 光电子数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100个入射光子大约只能记录下30个光电子。在弱光 下光电倍增管输出的光电子脉冲基本上不重叠。所以光子
3、计数实际上是将光电子 产生的脉冲逐个记录下来的一种探测技术。当然，从统计意义上说也是单光子计 数。血总Cr迸岸 W.1! X吒呼|起阳屁弱光信号照射到光阴极上时，每个入射的光子以一定的概率（即量子效率）使光阴极发射一个光电子。这个光电子经倍增系统的倍增，在阳极回路中形成一 个电流脉冲，即在负载电阻 RL 上建立一个电压脉冲，这个脉冲称为“单光电子 脉冲”见图。脉冲的宽度 tw 取决于光电倍增管的时间特性和阳极回路的时间常 数 RLC0 ，其中 C0 为阳极回路的分布电容和放大器的输入电容之和。性能良好 的光电倍增管有较小的渡越时间分散，即从光阴极发射的电子经倍增极倍增后的 电子到达阳极的时间差
4、较小。若设法使时间常数较小则单光电子脉冲宽度 tw 减 小到10 30 ns。如果入射光很弱，入射的光子流是一个一个离散地入射到光阴 极上，则在阳极回路上得到一系列分立的脉冲信号。C用示波器观察到的光电倍增管弱光输出信号经过放大器后的波形。当入射光流强度约为10-13W时，光电子信号是一直流电平并叠加有闪烁噪声（a）；光流 强度约为io -14 w时，直流电平减小，脉冲重叠减小，但仍存在基线起伏（b）；光流强度约为10-15W时，脉冲无重叠，基线趋于零（d）由图可知，光流强度约 为10-16w时，在1ms的时间内只有极少几个脉冲，也就是说，虽然光信号是持 续照射的，但光电倍增管输出的光电信号却
5、是分立的尖脉冲。这些脉冲的平均计 数率与光子的流量成正比。3）单光电子峰图2 4为光电倍增管阳极回路输出脉冲计数率 R随脉冲幅度大小的分 布。曲线表示脉冲幅度在V（V+A V）之间的脉冲计数率 R与脉冲幅度V的 关系，它与曲线（ R/A V）V有相同的形式。因此在 V取值很小时，这 种幅度分布曲线称为脉冲幅度分布的微分曲线。形成这种分布的原因有以下几点（1）除光电子脉冲外，还有各倍增极的热发射电子在阳极回路形成的热发射噪 声脉冲。热电子受倍增的次数比光电子少，因此它们在阳极上形成的脉冲大部分 幅度较低。（2）光阴极的热发射电子形成的阳极输出脉冲。（3）各倍增极的倍增系数有一定的统计分布（大体上
6、遵从泊松分布）。因此，噪 声脉冲及光电子脉冲的幅度也有一个分布，在图（24）中，脉冲幅度较小的主 要是热发射噪声信号，而光阴极发射的电子（包括热发射电子和光电子）形成的 脉冲，它的幅度大部分集中在横坐标的中部，出现“单光电子峰”。如果用脉冲 幅度甄别器把幅度高于 Vh 的脉冲鉴别输出，就能实现单光子计数。4）光子计数器的组成光子计数器的原理方框图如图 3.4-5 所示。（1）电倍增管 从以上分析可知，能够进行光子计数的一个重要条件是要有性能良好的光电 倍增管。更具体地说，用于光子计数的光电倍增管必须具有适合于实验中工作波 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，
7、并且光阴极稳定性高。为了获得较高的稳定性，除尽量采用光阴极面积小得管子 外，还采用制冷计数来降低管子的环境温度，以减少各倍增管的热电子发射。關孤繭出图 3.4-5 光子计数器方框图（2）放大器 放大器的功能是把光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲和其它的噪声脉冲线性放大。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压的范围 来选定。另外还要求放大器具有较宽的线性范围，上升时间W3ns,即放大器的 通频带宽达100MHz，噪声系数小等。光电倍增管与放大器的连线应尽可能短以 减少分布电容，有利于光电脉冲的形成与传输。（3）脉冲高度甄别器 脉冲高度甄别器的功能是鉴别输出光电子脉冲，弃除光电倍增管
8、的热发射噪声脉在甄别器内设有一个连续可调的参考电压甄别电平 V 。当输出脉冲高 h度高于甄别电平 V 时，甄别器就输出一个标准脉冲；当输入脉冲高度低于 Vhh时，甄别器无输出。经甄别器后只有光阴极形成的光电子脉冲和热电子脉冲输出。（a）放大器输出（b）甄别器输出对甄别器的要求是甄别电平稳定，灵敏度高，死时间小。当有一脉冲触发了 甄别器中的线路以后，在它恢复原状以前甄别器不能接受后续脉冲，这段时间称 为死时间，用于光子计数的甄别器的死时间要求小于 10ns。（ 4 ）计数器计数器的主要功能是在规定的测量时间间隔内，把甄别器输出的标准脉冲累 计和显示。为满足高速计数率及尽量减小测量误差的需要，要求
9、计数器的计数速 率达到100MHz。但由于光子计数器常用于弱光测量，其信号计数率极低，故选 用计数速率低于 10MHz 的计数器也可以满足要求。（ 5）光子计数器的误差及信噪比光子计数器的噪声来源主要为光子发射的统计涨落，光阴极和倍增管的热电 子发射和脉冲堆积效应。1. 统计涨落噪声。就热光源来说，在发光时各原子是相互独立的，相继的两 个光子打到光阴极上的上的时间间隔是随机的。按照统计规律在一定的时间间隔 t 内发出的光子数服从泊松分布。2. 暗计数噪声。由于光电倍增管的的光阴极和各倍增极有热电子发射，即使 入射光强为零时，还有暗计数率。也称为本底计数。通常采用降低管子的工作温 度，选用小面积
10、的光阴极和选择合适的甄别电平等措施力图使暗计数率降到最小。 但对于极微弱的光信号，暗计数率仍是一个不可忽略的噪声来源。3. 脉冲堆积效应噪声。分析光子计数器的噪声和计数误差时，除了上述几个重要因素外，还应考虑脉冲堆积效应。光电倍增管输出的脉冲有一定的宽度 t ，w只有在从一个光电子脉冲产生时算起，经过比t更长的时间间隔之后，光电倍增w管阳极回路才能接着输出另一个光电子脉冲， t 又称为光电倍增管的分辨时间。w当后续光电子脉冲与前一次脉冲的时间间隔小于t时，阳极回路只输出一个脉冲,w 这现象称为脉冲堆积效应。3、实验仪器单光子计数试验系统由单光子计数器，外光路，制冷系统和电脑控制软件等 组成。1
11、）实验系统主机 图3.4-7为单光子计数实验装置示意图。实验系统主机外形图如图 3.4-8所示。光电倍增管光齊功奉计! -o !SGD-2系统甄网器|计再机图 3.4-7 单光子计数系统实验装置2）光学系统1)光源2)探测器3)电子学系统4)制冷系统5)电脑软件4、实验内容及步骤1）观察不同入射光强光电倍增管的输出波形分布（1）开启 GSD-2 单光子计数实验仪“电源”（位于仪器的左边），光电倍增 管预热三十分钟。（2）开启“功率测量”在mW量程进行严格调零；开启“光源指示”，电 流调到1mA4mV读出“功率测量”指示的P值。（3）开启微机，进入“单光子计数”软件，给光电倍增管提供工作电压，探
12、 测器开始工作。（4）开启示波器，调节“触发电平”处于扫描最灵敏状态。分别将放大器输 出信号（检测2）和甄别器输出信号（检测1）馈送至示波器的输入端，观察并 记录两种信号的波形特征。（5）由大到小的顺序依次减低供给光源的电路，观察示波器上上述两种波形 的变化，图形应该是由连续谱变为离散的尖脉冲。2）测量光电倍增管输出脉冲幅度分布的积分和微分曲线，确定测量弱光时的 最佳阈值（甄别）电平 Vh（1）选择光电倍增管输出的光电信号是分立尖脉冲的条件，运行“单光子计 数”软件。在模式栏选择“阈值方式”；采样参数栏中的“高压”是指光电倍增 管的工作电压，1-8档分别对应620-1320V,由高到低每档10
13、%递减。（2）在工具栏点击“开始”获得积分曲线。视图形的分布调整数值范围栏的 “起始点”和“终止点”，“终止点”一般设在30 60档左右（10mV/档）；再适当的调整光电倍增管的高压档次（6-8 档范围）和微调入射光强，让积分曲 线图形为最佳（如图2 9）。其斜率最小值处就是阈值电平V。h（3）在菜单栏点击“数据/图形处理”选择“微分”，再选择与积分曲线不同 的“目的寄存器”运行，就会得到与积分曲线色彩不同微分曲线（图 2-4）。其 电平最低谷与积分曲线的最小斜率处相对应，由微分曲线更准确的读出 V3）测量接受光功率，求信噪比（1）由模式栏选择“时间方式”，在采样参数栏的“域值”输入步骤 2
14、获取的V值，数值范围的“终止点”不用设置太大，50 100即可，积分时间可取h1000ms，在工具栏点击“开始”，单光子计数。将数值范围的“最大值”设置到 单光子数率线在显示区中间为宜。（2）此时，如果光源强度 P 不变，光子计数率 Rp 基本是一直线；倘若调 节光功率 P 的高、低，光子数率也随之高、低而变化。这说明：一旦确立阈值 甄别电平、测量时间间隔相同，P与Rp成正比。测量三种不同光功率（1卩W）的光计数N和无光时的暗计数N （可从计数率曲线上取5点得数值，平均而得）,id计算出接收光功率 P 。i接收光功率P和信噪比SNR可分别按下列两式计算：iP = E R / 耳i p p式中已
15、卩=3.96*10 -19 J（500nm波段光子的能量），R为计数率，等于光计p数N除以积分时间，CR125型光电倍增管对500nm波段的量子计数效率耳=15%pN - NSNR = i =.N + N* td式中，N为测量时间间隔内测得的总计数；Nd为测量时间间隔内测得的背 景计数；光计数 N = N - N 。ptd再根据光学系统参数，利用（3.4-3 ）式推算光功率P与上述计算的P作比较。0i5、数据处理1、数据处理及实验结果（1）测阀值：在电脑上做出输出脉冲分布及其积分曲线图。调节电流为4.7mA, 由图像（见附图）可得，阈值电压为 Vh=29V。（2）测量接收光功率，求信噪比：实验中分别调节无光时、电流为 2.5mA（1.1uW）、3.5mA（1.7uW）、4.0mA（2.0uW） 时的光子数，下图是根据实验测得数据（见附表）画出来的图像rebmunnotohp40000 -35000 -30000 -25000 -20000 -15000 -10000
