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1、单光子计数实验单光子计数实验姜志龙电科091 09461114单光子光子计数数实验一、实验目的：一、实验目的：察看微弱光的光量子景象；察看微弱光的光量子景象；研讨鉴别电压阈值对系统研讨鉴别电压阈值对系统性能的影响，确定最正确鉴别性能的影响，确定最正确鉴别电压阈值；电压阈值；了解光子计数器的信噪比，测了解光子计数器的信噪比，测试光子计数器的最低暗计数率试光子计数器的最低暗计数率和最小可检测光计数率；和最小可检测光计数率；学惯用光子计数器丈量微弱光学惯用光子计数器丈量微弱光信号的原理与技术。信号的原理与技术。二、二、实验原理和原理和仪器构造器构造2.1 2.1 原理原理光子是静止光子是静止质量量为
2、零，有一定能量的粒零，有一定能量的粒子。光是由光子子。光是由光子组成的，光子的能量和成的，光子的能量和波波长或或频率有关，即：率有关，即：对于波于波长=600nm=600nm的桔的桔红色光，每个光色光，每个光子的能量子的能量约为3.310-19J3.310-19J。假假设用用R RCPSCPS表示表示到达光阴极的表示表示到达光阴极的光子通量光子数光子通量光子数/ /秒，那么光束功秒，那么光束功率率P P和光子通量和光子通量R R之之间的关系的关系为: :光子通量R和光束功率P之间的对应数值关系及顺应的检测方法如下表:R(CPS)P(W)检测方法超微弱光103.310-18光子计数1023.31
3、0-171033.310-161043.310-15微弱光1053.310-141063.310-13锁相放大1073.310-121083.310-111093.310-10光子计数器只能丈量微弱光和超微弱光的功率，不能丈量功率大于10-10W的光束功K光子D1D2DnAR1率，不能丈量含有多光子的光脉冲功率。 光电倍增管的任务原理如图1所示。它是一种噪声小、高增益的光电传感器，当弱光照射到光阴极K时，每个入射光子以一定的概率(即量子效率)使光阴极发射一个电子。这个光电子经倍增系统的倍增最后在阳极打拿极回路中构成一个电流脉冲，经过负载电阻R构成一个电压脉冲，这个脉冲称为单光子脉冲，也称为光电
4、子脉冲。假设入射光很弱，入射的光几乎是一个个离散地入射到光阴极上的，那么在阳极上得到一系列离散的脉冲信号。即光电倍增管输出的光信号是离散的尖脉冲，这些脉冲的平均计数效率与光子的流量成正比。在可见光的微弱、超微弱光检测中，目前光电倍增管是独一适宜在光子计数方法中运用的光信号探测器件。光电倍增管呼应时间短、灵敏度高，可以输出适宜光子计数的离散脉冲信号。采用高频示波器200MHz以上可以察看到用光电倍增管接纳到的微弱光的输出信号。当光强度较大时，从光电倍增管输出的信号是不断流电平；随着光强度的逐渐减弱，光电倍增管中输出的直流分量愈来愈小，起伏的交流成分愈来愈大，从而成为一系列的脉冲信号。脉冲高度分布
5、PHD：光电倍增管暗计数阴极和打拿极的热电子发射、光反响、宇宙射线等的脉冲高度与信号的脉冲高度有如下关系：各级打拿极热电子发射的脉冲高度小于光信号的脉冲高度，其脉冲数很大；光阴极的热电子发射及反响光子的光电激发产生的脉冲高度等于光信号的脉冲高度，其脉冲数很少；宇宙射线激发输出的脉冲高度大于光信号的脉冲高度，其脉冲数很少。由此，可得光电倍增管输出的噪声、信号及信号加噪声的脉冲高度分布PHD，如图3所示。图3 光电倍增管的脉冲高度分布图单光子峰计数率噪声计数率 信号计数率信号+噪声脉冲高度脉冲高度脉冲高度适宜光子计数用的光电倍增管在脉冲高度分布图上需求具备明显的单光子峰光电倍增管的这种PHD特性是
6、选择其能否作光子计数运用的条件，很多光电倍增管由于不具备明显的单光子峰而不能用于光子计数。单光子计数器中运用的光电倍增管其光谱呼应应适宜所用的任务波段(有紫外、可见光和红外等波段划分)，暗电流要小与无激光输入时对应的计数率即暗计数率相对应,它决议管子的探测灵敏度，相应速度及光阴极稳定。光电倍增管性能的好坏直接关系到光子计数器能否正常任务。单光子计数器的框图见图5。在脉冲幅度甄别器里设有一个延续可调的参考电压Vh。如图6所示，当输入脉冲高度低于Vh时，甄别器无输出。只需高于Vh的脉冲，甄别器输出一个规范脉冲。假设把 甄别电平选在图4中的谷点对应的脉冲高度上，就能去掉大部分噪声脉冲而只需光电子脉冲
7、经过，从而提高信噪比。脉冲幅度甄别器应甄别电平稳定；灵敏度高；死时间小、建立时间短、脉冲对分辨率小于10ns，以保证不漏计。甄别器输出经过整形的脉冲。计数器的作用是在规定的丈量时间间隔内将甄别器的输出脉冲累加计数。2.2 构造 光源: 用高亮度发光二极管作光源，波长中心500nm，半宽度30nm。为提高入射光的单色性，仪器准有窄带滤光片，其半宽度为18nm。 接纳器:接纳器采用CR125光电倍增管为接纳器。实验采用半导体致冷器降低光电倍增管的任务温度，最低温度可达-20。 光路: 实验系统的光路如图7所示：2.3 光子计数器的误差及信噪比泊松统计噪声:用光电倍增管探测热光源发射的光子，光子打到
8、热阴极上的时间间隔是随机的，对于大量粒子的统计而言是服从泊松分布的。其信号的不确定度通常用均方根偏向来表示。其中，是光电倍增管的量子计数效率，R是光子平均流量，即单位时间经过光束截面的光子个数，也称为光子计数率。N=Rt是时间间隔t内光电倍增管的光阴极发射的光电子平均数，称为光子计数。这种不确定度称之为统计噪声，如平均计数 ，那么能够的误差为 10，瞬时计数值为 ，在90-110之间。三 实验内容 软件安装后，从“开场菜单执行“程序组中的“GSZF2A组，即可启动GSZF2A控制处置系统。任务界面引见 进入系统后，首先弹出如图13的友好界面，等待用户单击鼠标或键盘上的恣意键；当接纳到鼠标、键盘
9、事件或等待五秒钟后，马上显示任务界面如图14。存放器菜单存放器选择参数设置详细信息 标题形状付工具任务工具 在参数设置窗口中设置好各项参数：方式为域值方式，时间单位为毫秒，采样间隔和积分时间均为1000或1000，高压为8； 单击工具栏开场按钮，将得到一光源功率对应的光子数域值电压的积分曲线，单击数据/图形处置菜单中的微分命令，找出微分后图形的斜率突变点即域值点的域值电平。 将方式改为“时间方式，将上面测出的域值设置在参数窗口的域值框中。封锁光源，开场采集数据，得一振荡曲线，保管数据。 翻开保管文本文件，将一切数据复制到Word文档里，制成表格，再将这些数据复制到Excel文件里，将所需数据求平均，即得到背景计数Nd。 翻开光源开关，转动光源强度调理钮电流调理旋钮，给光源某一强度。开场采集数据，得到一条振荡曲线，保管数据。反复第七步，得总计数Nt。本卷须知本卷须知 丈量时，不可翻开光路的上盖，以防止杂散光的影响。谢谢
