單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)

1、山東師范大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心山東師范大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中心 光子計(jì)數(shù)也就是光電子計(jì)數(shù)，是微弱光 （低于1014W）信號探測中的一種新技 術(shù)。它可以探測弱到光能量以單光子到 達(dá)時(shí)的能量。目前已被廣泛應(yīng)用于喇曼 散射探測、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)等許 多領(lǐng)域里微弱光現(xiàn)象的研究。 通常的直流檢測方法不能把淹沒在噪聲 中的信號提取出來。微弱光檢測的方法 有：鎖頻放大技術(shù)、鎖相放大技術(shù)和單 光子計(jì)數(shù)方法。 最早發(fā)展的鎖頻，原理是使放大器 中心頻率f0與待測信號頻率相同， 從而對噪聲進(jìn)行抑制。但這種方法 存在中心頻率不穩(wěn)、帶寬不能太窄、 對待測信號缺乏跟蹤能力等缺點(diǎn) 后來發(fā)展了鎖相，它利用待測信號和 參考信號的互相關(guān)檢

2、測原理實(shí)現(xiàn)對信 號的窄帶化處理，能有效的抑制噪聲， 實(shí)現(xiàn)對信號的檢測和跟蹤。但是，當(dāng) 噪聲與信號有同樣頻譜時(shí)就無能為力， 另外它還受模擬積分電路漂移的影響， 因此在弱光測量中受到一定的限制。 單光子計(jì)數(shù)方法，是利用弱光照射下光電 倍增管輸出電流信號自然離散化的特征， 采用了脈沖高度甄別技術(shù)和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)。 與模擬檢測技術(shù)相比單光子計(jì)數(shù)技術(shù)相比 有以下優(yōu)點(diǎn)： 1、測量結(jié)果受光電倍增管的漂移、系統(tǒng) 增益的變化及其它不穩(wěn)定因素影響較小。 2、基本上消除了光電倍增管高壓直流漏 電流和各倍增級的熱發(fā)射噪聲的影響， 提高了測量結(jié)果的信噪比?？赏_(dá)到由 光發(fā)射的統(tǒng)計(jì)漲落性質(zhì)所限制的信噪比 值。 3、有比較寬

3、的線性動態(tài)范圍。 4、光子計(jì)數(shù)輸出是數(shù)字信號，適合 與計(jì)算機(jī)接口作數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理。目前 一般光子計(jì)數(shù)器的探測靈敏度優(yōu)于10 17W，這是其它探測方法所不能比 擬的。 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?（1）掌握一種弱光的檢測技術(shù)，了解光子 技術(shù)的基本原理和基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)以及弱光 檢測中的一些主要問題。 （2）了解弱光的概率分布規(guī)律。 二、實(shí)驗(yàn)裝置 圖1 GSZF-2A單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 圖2 單光子計(jì)數(shù)器的框圖 圖3 光路圖 三、單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)原理 單光子計(jì)數(shù)器方法利用弱光下光電倍 增管輸出電流信號自然離散的特征， 采用脈沖高度甄別和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)將 淹沒在背景噪聲中的弱光信號提取出 來。 當(dāng)弱光照射到光陰極時(shí)，每個入

4、射光子以 一定的概率(即量子效率)使光陰極發(fā)射一 個電子。這個光電子經(jīng)倍增系統(tǒng)的倍增最 后在陽極回路中形成一個電流脈沖，通過 負(fù)載電阻形成一個電壓脈沖，這個脈沖稱 為單光子脈沖。除光電子脈沖外，還有各 倍增極的熱反射電子在陽極回路中形成的 熱反射噪聲脈沖。 熱電子受倍增的次數(shù)比光電子少，因而它 在陽極上形成的脈沖幅度較低。此外還有 光陰極的熱反射形成的脈沖。噪聲脈沖和 光電子脈沖的幅度的分布如圖4所示。脈沖 幅度較小的主要是熱反射噪聲信號，而光 陰極反射的電子（包括光電子和熱反射電 子）形成的脈沖幅度較大，出現(xiàn)“單光電 子峰”。用脈沖幅度甄別器把幅度低于Vh 的脈沖抑制掉。只讓幅度高于Vh的脈

5、沖通 過就能實(shí)現(xiàn)單光子計(jì)數(shù)。 圖4 光電倍增管輸出脈沖分布 單光子計(jì)數(shù)器中使用的光電倍增管其光譜 響應(yīng)應(yīng)適合所用的工作波段，暗電流要小 （它決定管子的探測靈敏度），相應(yīng)速度 及光陰極穩(wěn)定。光電倍增管性能的好壞直 接關(guān)系到光子計(jì)數(shù)器能否正常工作。 放大器的功能是把光電子脈沖和噪聲脈 沖線性放大，應(yīng)有一定的增益，上升時(shí)間 3ns,即放大器的通頻帶寬達(dá)100Mz；有較 寬的線性動態(tài)范圍及低噪聲，經(jīng)放大的脈 沖信號送至脈沖幅度甄別器。 圖5 甄別器的作用a放大后b甄別后 脈沖高度甄別器 脈沖高度甄別器的 功能是鑒別輸出光電子脈沖，棄除光電 倍增管的熱發(fā)射噪聲脈沖。在甄別器內(nèi) 設(shè)有一個連續(xù)可調(diào)的參考電壓

6、甄別 電平Vh。如圖5所示，當(dāng)輸出脈沖高度高 于甄別電平Vh時(shí)，甄別器就輸出一個標(biāo) 準(zhǔn)脈沖；當(dāng)輸入脈沖高度低于Vh時(shí)，甄 別器無輸出。如果把甄別電平選在與圖 4中谷點(diǎn)對應(yīng)的脈沖高度Vh上，這就棄除 了大量的噪聲脈沖，因?qū)怆娮用}沖影 響較小，從而大大提高了信噪比。Vh稱 為最佳甄別（閾值）電平。 需要注意的是：當(dāng)用單電平的脈沖高度 甄別器鑒別輸出時(shí)，對應(yīng)某一電平值V， 得到的是脈沖幅度大于或等于V的脈沖總 計(jì)數(shù)率，因而只能得到積分曲線（見圖6 ），其斜率最小值對應(yīng)的V就是最佳甄別 （閾值）電平Vh，在高于最佳甄別電平Vh 的曲線斜率最大處的電平V對應(yīng)單光電子 峰。 圖6光電倍增管脈沖高度分布積

7、分曲 線 制冷器溫度指示 光闌筒 光源 功率計(jì) 衰減片 高壓電源 窄帶濾波器 放大器甄別器 計(jì)算機(jī) 示波器 光電倍增管 放大器甄別器 計(jì)算機(jī) 示波器 圖7 光路圖 4、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1.用示波器觀測光電倍增管陽極輸出和甄 別器輸出的脈沖特征做比較。 2.測量光電倍增管輸出脈沖幅度分布的積 分和微分曲線，確定測量弱光時(shí)的最佳 閾值（甄別）電平 。 3.觀察不同入射光強(qiáng)光電倍增管的輸出波 形分布，推算出相應(yīng)的光功率 4.用時(shí)間方式推出相應(yīng)的入射光功率 注意事項(xiàng)注意事項(xiàng) 1、入射光源強(qiáng)度要保持穩(wěn)定。 2、光電倍增管要防止入射強(qiáng)光，光闌筒 前至少有窄帶濾光片和 一個衰減片。 3、光電倍增管必須經(jīng)過長時(shí)間工作才能 趨于穩(wěn)定。因此，開機(jī)后需要經(jīng)過充分的 預(yù)熱時(shí)間，至少二十到三十分鐘以上，才 能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 4、儀器箱體的開、關(guān)動作要輕，輕開輕 關(guān)的還原，以便盡量減少背景光干擾。 問題思考： （1）接受光功率p0與推算入射功率pi 是 否一致？若不一致，試分析其原因所在。 （2）閾值是否隨溫度的改變而改變？為 什么？ （3）用閾值方式采集數(shù)據(jù)確定閾值時(shí)，