5.光子計數(shù)技術(shù).ppt

1、光電信號處理,華中科技大學(xué)光電學(xué)院光電測控技術(shù)與儀器系,第五章 光子計數(shù)技術(shù),第五章 光子計數(shù)技術(shù),5.1 光電倍增管 5.2 光電倍增管的偏置電路與接地方式 5.3 光子計數(shù)器中的放大器 5.4 光子計數(shù)器測量弱光的上限 5.5 光子計數(shù)器中的鑒別器 5.6 光電倍增管的單光子響應(yīng)峰 5.7 光電倍增管的計數(shù)坪區(qū)最佳偏壓的選擇 5.8 光子計數(shù)器的測量誤差分析 5.9 光子計數(shù)器的測量方法與應(yīng)用 5.10 模擬光子計數(shù)器,單光子探測技術(shù)是一種極微弱光探測法 所探測的光強(qiáng)度比光電傳感器本身在室溫下的熱噪聲水平（10-14W）還要低， 用通常的直流檢測方法不能把這種湮沒在噪聲中的信號提取出來。

2、單光子計數(shù)方法利用弱光照射下光子探測器輸出電信號自然離散的特點(diǎn)，采用脈沖甄別技術(shù)和數(shù)字計數(shù)技術(shù)把極其微弱的光信號識別并提取出來。,光子計數(shù)技術(shù)概述,單光子探測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域： 高分辨率的光譜測量、 非破壞性物質(zhì)分析、 高速現(xiàn)象檢測、 精密分析、大氣測污、 生物發(fā)光、放射探測、 高能物理、天文測光、光時域反射、 量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)等。 由于單光子探測器在高技術(shù)領(lǐng)域的重要地位， 已經(jīng)成為各國光電子學(xué)界重點(diǎn)研究的課題之一,單光子探測技術(shù)和模擬檢測技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)： 測量結(jié)果受光電探測器的漂移、系統(tǒng)增益變化以 及其它不穩(wěn)定因素的影響較?。?消除了探測器的大部分熱噪聲的影響，大大提高 了測量結(jié)果的信噪比

3、； 有比較寬的線性動態(tài)區(qū)； 輸出數(shù)字信號，適合與計算機(jī)接口連接進(jìn)行數(shù)字 數(shù)據(jù)處理。,單光子計數(shù)器的組成,單光子計數(shù)器由光電倍增管（PMT），前置放大器，幅度鑒別器和計數(shù)器構(gòu)成。 高壓電源是使PMT正常工作； PMT必須配備制冷器以減少陰極的熱電子發(fā)射。,系統(tǒng)工作原理,PMT陰極接受光輻射，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過打拿極放大，輸出至陽極。 陽極產(chǎn)生電流脈沖并經(jīng)過陽極負(fù)載輸出， 經(jīng)過放大器信號放大后送到鑒別器， 鑒別器通過設(shè)置第一鑒別電平和第二鑒別電平來減少暗電流和干擾， 計數(shù)器計得信號脈沖的個數(shù)并顯示出來。,單光子計數(shù)的光電器件,可用來作為單光子計數(shù)的光電器件有許多種， 光電倍增管（PMT） 雪崩

4、光電二極管（APD） 增強(qiáng)型光電極管（IPD） 微通道板（MCP） 微球板（MSP） 真空光電二極管（VAPD）,1、光電倍增管（PMT）單光子探測器,單光子探測需要的光電倍增管要求： 增益高、暗電流小、噪聲低、量子效率高、 較小的上升和下降時間。 特點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn)：有高的增益（104107） 大光敏面積 低的噪聲等效功率（NEP） 缺點(diǎn)：體積龐大、量子效率低下、反向偏壓高、 僅能夠工作在UV和可見光譜范圍內(nèi)， 抗外部磁場能力較差。,2、雪崩光電二極管（APD）單光子探測器,雪崩光電二極管不同于光電倍增管 它是一種建立在內(nèi)光電效應(yīng)基礎(chǔ)上的光電器件。 雪崩光電二極管具有內(nèi)部增益和放大的作用，一個光子

5、可以產(chǎn)生10100對光生電子空穴對，從而能夠在器件內(nèi)部產(chǎn)生很大的增益。,雪崩光電二極管的工作原理： 工作在反向偏壓下，反向偏壓越高，耗盡層當(dāng)中的電場強(qiáng)度也就越大。 當(dāng)耗盡層中的電場強(qiáng)度達(dá)到一定程度時（材料不同，電場大小也不一樣，如：Si-APD為105V/cm），耗盡層中的光生電子空穴對就會被電場加速，而獲得巨大的動能，它們與晶格發(fā)生碰撞，就會產(chǎn)生新的二次電離的光生電子空穴對，新的電子空穴對又會在電場的作用下獲得足夠的動能，再一次與晶格碰撞又產(chǎn)生更多的光生電子空穴對，如此下去，形成了所謂的“雪崩”倍增，使信號電流放大。,目前應(yīng)用的APD主要有三種： Si-APD、Ge-APD和InGaAs-A

6、PD。 它們分別對應(yīng)不同的波長。 Si-APD主要工作在400nm1100nm， Ge-APD在800nm1550nm， InGaAs-APD則在900nm1700nm。 已經(jīng)有了相關(guān)的報道：在光通信三個波段（即850nm、1310nm和1550nm）的單光子探測器用于量子密鑰系統(tǒng)。,國內(nèi)成功地制作了850nm波長的單光子探測器，并在850nm的單模光纖中完成了量子密碼通信演示性實驗。 APD單光子計數(shù)具有量子效率高、功耗低、工作頻譜范圍大、體積小、工作電壓較低等優(yōu)點(diǎn)， 但是同時也有增益低、噪聲大，外圍控制電路及熱電制冷電路較復(fù)雜等缺點(diǎn)。 總的來說，比起國外目前的水平，我國在單光子探測領(lǐng)域還有

7、較大差距。,3、真空雪崩光電二極管（VAPD）單光子探測器,針對PMT和APD的缺點(diǎn)，目前開發(fā)出一種真空雪崩光電二極管（VAPD）單光子探測器，它是由光陰極和一個具有大光敏區(qū)面積的半導(dǎo)體硅APD組成。 光陰極和APD之間保持高真空態(tài)，光子信號打到光陰極上，產(chǎn)生光電子，這些光電子在高壓電場的作用下加速，然后再打到APD上。 對于硅APD，這些光電子的能量約為硅帶隙能量的2000倍，這樣一個光電子就能產(chǎn)生大于2000對的電子空穴對。在VAPD中，Si-APD的典型增益為500倍，因而VAPD的增益可以達(dá)到106倍。,VAPD單光子探測器是一種PMT和APD相結(jié)合的產(chǎn)物，具有許多PMT和APD無法比

8、擬的優(yōu)點(diǎn)。 其主要特點(diǎn)有：低噪聲、動態(tài)范圍大、分辨率高、抗磁干擾能力強(qiáng)、探測光譜范圍寬等特點(diǎn)。 這種單光子探測器的出現(xiàn)，對人們探索高技術(shù)領(lǐng)域?qū)⑵鸬椒e極的推動作用。,單光子探測器的現(xiàn)狀及其發(fā)展,對于可見光探測，光電倍增管有很好的響應(yīng)度，暗電流也非常小，很早就用于單光子計數(shù)，現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)比較成熟，市場上也有了不少類似的產(chǎn)品。 隨著人們對紅外光研究的不斷深入，特別是近年來量子通信技術(shù)、量子密碼術(shù)的研究不斷引起各國的重視，對紅外通信波段（850nm、1310nm和1550nm）單光子探測器的研究也就顯得尤為迫切。 這個波段光電倍增管卻顯得無能為力，即使是最好的紅外光陰極-Si陰極，光譜響應(yīng)到1050n

9、m就已經(jīng)截止了，僅這一點(diǎn)就排除了光電倍增管在紅外通信波段的應(yīng)用。,在850nm波段，考慮到光電倍增管工作電壓很高和使用維護(hù)的復(fù)雜程度，在實際應(yīng)用中人們還是選用Si-APD雪崩光電二極管。 現(xiàn)在對Si的研究已經(jīng)趨于成熟，SiAPD也已經(jīng)有了比較好的制造工藝。 國外已經(jīng)有公司開發(fā)出了專門針對850nm單光子探測的商用Si-APD。,在1310nm和1550nm波段， Si-APD已經(jīng)不能用于進(jìn)行單光子探測了，因此在這兩個波段一般選用InGaAs-APD， 但由于制造工藝的問題，目前還沒有專門針對單光子探測的InGaAs-APD。 國外對這兩個波段的單光子探測的報道，一般都是關(guān)于利用現(xiàn)有針對光纖通信

10、的商用APD，通過優(yōu)化外圍驅(qū)動電路，改善工作環(huán)境，使其達(dá)到單光子探測的目的。,目前人們對單光子探測器將主要從兩個方面去研究， 一方面，研制和開發(fā)有高靈敏度新型結(jié)構(gòu)的光探測器， 另一方面，研究和改進(jìn)探測器的外圍控制驅(qū)動技術(shù)，利用現(xiàn)有的探測器進(jìn)行單光子探測。 光子成像技術(shù) 下面以光電倍增管為例，介紹光子計數(shù)器的原理與方法。,5.1 光子計數(shù)器中的光電倍增管,光電倍增管是光子計數(shù)器的核心部件， 它將接收到的光子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號， 光電倍增管正常工作，必須配備高壓電源。 為了降低噪聲，還配備致冷器 并不是所有的光電倍增管都適于制作光子計數(shù)器。 對用于光子計數(shù)器的光電倍增管有一些特殊的要求。,1 光電倍

11、增管的工作原理,光電倍增管是利用外光電效應(yīng)把入射光子轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦盘柕奶綔y器。 光電倍增管的結(jié)構(gòu)示意圖:,D1 D3 D5 D7 D 9,D2 D4 D6 D8 D10,K是光電陰極，D是聚焦極， D1D10為倍增極（打拿極），A為陽極 光電倍增管原理：外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng),K,A,2 倍增極結(jié)構(gòu)與渡越時間,渡越時間: 從光電陰極K接受一個光子開始，到陽極收集到D10發(fā)射的二次電子為止所需的時間為。 渡越時間離散性： 只是一個平均值。從D1發(fā)射二次電子，到D10發(fā)射二次電子，各極二次電子飛越的軌道不可能完全一致，渡越時間也就不可能完全相等，因此，陽極從收集到第一個電子和最后一個電子的時間

12、是不同的，這個時間差，就稱為渡越時間離散，記為。 渡越時間離散和渡越時間都和光電倍增管的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 要求：渡越時間短，渡越時間離散小。,直列聚焦式光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖所示。它的倍增極的形狀具有特定的弧形，它的這種弧形結(jié)構(gòu)可形成一個聚焦電場，使前級的二次發(fā)射電子能準(zhǔn)確地射到本倍增極的中央。 另外，還采取了一些附加措施，用以抑制空間電荷效應(yīng)，因此這種結(jié)構(gòu)的光電倍增管其渡越時間離散很小，渡越時間也較小。 若將其光陰極也制成曲面形狀，則這種管子最為適宜作光子計數(shù)器使用。,聚焦電極,K,A,3 光電倍增管的增益與二次電子發(fā)射系數(shù),由光電陰極與第一倍增極D1之間形成的電流稱為陰極電流Ik， 由最后一個倍增

13、極與陽極之間形成的電流是陽極電流Ia。 倍增管的增益G定義為：,設(shè)某一倍增極的入射電子數(shù)為N1， 在N1的激發(fā)下，產(chǎn)生的二次電子數(shù)為N2，則定義： 為該倍增極的倍增系數(shù)。 倍增系數(shù)又稱為二次電子發(fā)射系數(shù)， m值一般為36， 與倍增極的材料和工作偏壓而定。 新的倍增極材料，m值可達(dá)50甚至更高。,在理想情況下，設(shè)陰極和倍增極發(fā)射的電子都被陽極所收集，則光電倍增管的增益G和倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)m之間的關(guān)系為: n為倍增極的個數(shù)，一般為914， 假設(shè)每個倍增極的倍增系數(shù)是相等的。若m的取值范圍按36計，n按914計，則光電倍增管的增益G可高達(dá)7.81010，一般為105108之間。,光電倍增管吸

14、收一個光子后，在陽極形成一個電流脈沖，則其形狀如圖（b）所示。 圖a為電荷累積的時間寬度， 定義tw為電流的脈沖寬度， 典型值為1020ns。 取光電倍增管的增益G=106，tw=20ns，則可計算出陽極電流脈沖的高度為：,4 PMT陽極電流脈沖與輸出電壓脈沖的計算,陽極輸出電壓脈沖Va的形狀與大小，與陽極負(fù)載Ra和分布電容Ca有很大的關(guān)系。 設(shè)計得好的光子計數(shù)器，分布電容Ca20pF， 取陽極負(fù)載Ra=50，則陽極時間常數(shù)RaCa=1ns。 在這種情況下，電壓脈沖與電流脈沖形狀相同，如圖（c）所示。 加大電容將使脈沖變小變寬；加大電阻則將使脈沖變大變寬，均不符合光子計數(shù)的要求。 在正常的Ra

15、Ca情況下，陽極電壓的幅度為： 注意，這個數(shù)據(jù)是以光電倍增管的增益G=106為例計算得出的，不同的光電倍增管，其增益G是不同的，且G與偏置電壓有關(guān)。,為了使得光子計數(shù)器的光電倍增管正常地工作，獲得穩(wěn)定的增益G并使陽極輸出電壓有最大的信噪比和窄的脈沖高度，必須設(shè)計合理的偏置電路。,5.2 光電倍增管的偏置電路與接地方式,光電倍增管的偏置電路可用電阻分壓器組成。 一般總電壓Vak在9002000V之間，由實驗確定。 原則：各倍增極電壓在80150V之間。 理論分析表明：各倍增極電壓的穩(wěn)定與否將嚴(yán)重地影響光電倍增管增益G的穩(wěn)定性。,1.光電倍增管的偏置電路,0 2kV,倍增極電流在分壓電路中，隨著倍

16、增極電流的增大，對分壓電阻電流的分流愈大，因而會造成倍增極電壓的不穩(wěn)定，尤其是靠近陽極的最后幾個倍增極。 為了減小倍增極電流變化帶來的倍增極電壓不穩(wěn)，要求各分壓電阻取得適當(dāng)值以保證流過電阻鏈的電流IR比最大陽極電流Iamax大得多。 通常要求：IR20Iamax 注意：IR值也不能取得太大，否則分壓電阻的功耗增大，分壓電阻的功耗過大會使光電倍增管的管殼內(nèi)溫度明顯升高，從而增加熱電子發(fā)射，增加了噪聲。 分壓電阻值通常在20K1M范圍內(nèi)。,由于最后幾級倍增極的瞬時電流很大，會使R9R11上的壓降產(chǎn)生明顯的跳變，導(dǎo)致倍增極電壓不穩(wěn)。 在最后三級電阻上并聯(lián)穩(wěn)壓電容C2、C2和C3，使電阻鏈上的分壓基本

17、不變。 電容值的大小，可根據(jù)穩(wěn)壓要求決定。 通常并聯(lián)電容值在0.0020.05F之間。,光電倍增管工作時，陽極電壓總是高于陰極電壓。接地方式有兩種。 一種是陰極接地，此時陽極為正高壓； 另一種是陽極接地，此時陰極為負(fù)高壓。,2.光電倍增管的接地方式,這兩種接地方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)。 陰極接地時： 陽極輸出必須接一個耐高壓的電容器，以便將陽極高壓和前置前大器隔離，這個電容器的接入使得輸出端RaCa時間常數(shù)變大，破壞了輸出的高頻特性。 只能測量交變的光信號。,陽極接地： 優(yōu)點(diǎn)：可與前置放大器直接耦合。 缺點(diǎn)：噪聲比較大。 原因：陰極為負(fù)高壓，光電倍增管工作時為了安全一般外罩必須接地，這就意味著外罩的壁

18、和光電倍增管內(nèi)部電極之間有很大的負(fù)壓，特別是對陽極和靠近陽極的倍增極，由于這個高壓，可能在陰極和倍增極與外罩間形成漏電流，這個漏電流流經(jīng)玻璃時會產(chǎn)生熒光。,如果管壁有熒光，熒光發(fā)射的光子將會到達(dá)光陰極，產(chǎn)生誤計數(shù)。 為了克服這個缺點(diǎn)，必須在罩里面加一屏蔽，放在光電倍增管的管壁和外罩內(nèi)壁之間，此屏蔽經(jīng)一電阻聯(lián)到陽極，這樣就可不再有漏電流流經(jīng)光電倍增管的管壁，從而消除了熒光，也消除了熒光帶來的誤計數(shù)。,5.3 光子計數(shù)器中的放大器,光子計數(shù)器中的光電倍增管一般采用陽極接地方式，這樣陽極輸出電流脈沖可直接耦合到一個低輸入阻抗的寬帶放大器的輸入端。 如果陽極脈沖電流幅度為8A，寬度為20ns， 前置放

19、大器的輸入阻抗為50， 則前放輸入端電壓脈沖幅度為：0.4 mV， 脈沖寬度為：20 ns。,假定該脈沖近似為矩形方波，由信號分析可知，該信號的帶寬Bf =50MHz； 如果tw=10ns，則Bf=100MHz。 因此前置放大器的通頻帶必須大于100MHz。 所以，與光電倍增管陽極輸出相連的前置放大器 應(yīng)是低噪聲、高精度的寬帶放大器。,光子計數(shù)器是測量弱光的儀器，如果被檢測光束光子速率過大，則光電倍增管不能分辨，無法計數(shù)。 因此光子計數(shù)器只能對一定光子速率以下的光子束進(jìn)行計數(shù)測量。,5.4 光子計數(shù)器測量弱光的極限,這個速率由光電倍增管的渡越時間離散決定。 光電倍增管的渡越時間離散為1020n

20、s，因此輸出電流脈沖的半寬度tw亦為1020ns。 假定光電倍增管后續(xù)的放大器有足夠的帶寬，鑒別器和脈沖計數(shù)器都有足夠高的速率的理想情況下，為了分辨每個光電脈沖，光子速率最大值為： 個光子/秒,以發(fā)光二極管發(fā)射的560nm波長的黃綠光計算，其光功率為 ： （瓦） 實際上光子計數(shù)器可以測量計數(shù)的弱光的光強(qiáng)要遠(yuǎn)低于這個數(shù)值，約在10-14瓦以下。有的甚至達(dá)到 10-18W。 單光子的能量： 對于波長=600nm的桔紅色光，每個光子的能量約為：,用光子計數(shù)器對波長為560nm的弱光進(jìn)行探測時，在示波器上顯示的光電倍增管輸出波形如圖所示。 光功率為10-13瓦時，已看不到清晰的脈沖說明光電管倍增管已來

21、不及分辨單個光子了。,（a） 光強(qiáng)10-13瓦光電速率脈沖及噪聲,（b） 光強(qiáng)10-14瓦光電速率脈沖及噪聲,（c） 光強(qiáng)10-15瓦光電速率脈沖及噪聲,（c） 光強(qiáng)10-16瓦光電速率脈沖及噪聲,光子速率R（光子數(shù)/秒）和光束功率P之間的對應(yīng)數(shù)值關(guān)系及適應(yīng)的檢測方法如下表:,光子計數(shù)器只能測量微弱光和超微弱光的功率，不能測量功率大于10-10W的光功率， 即不能測量含有多光子的光脈沖功率。,鎖定放大,鑒別器的任務(wù)： 將由光子產(chǎn)生的脈沖電壓選擇出來，而將倍增極熱電子發(fā)射產(chǎn)生的小脈沖去掉。 光陰極的熱電子發(fā)射產(chǎn)生的暗計數(shù)脈沖，由于它和光子產(chǎn)生的脈沖幅度一樣，因此鑒別器是無法將它去掉的，這種暗計數(shù)只有通過兩次測量進(jìn)行扣除。 在進(jìn)行高計數(shù)率的測量時，存在雙光子峰，因此鑒別器還必須對這種脈沖幅度是正常單光子脈沖2倍的雙光子脈沖要輸出2個脈沖供計數(shù)