單光子計數(shù)實驗

1、山東師范大學(xué)物理實驗中心山東師范大學(xué)物理實驗中心光子計數(shù)也就是光電子計數(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)檢測原理實現(xiàn)對信號的窄帶化處理，能有

2、效的抑制噪聲，實現(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)字計數(shù)技術(shù)。與模擬檢測技術(shù)相比單光子計數(shù)技術(shù)相比有以下優(yōu)點：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)計漲落性質(zhì)所限制的信噪比值。3、有比較寬的線性動態(tài)范圍。4、光子計數(shù)輸出是數(shù)字信號，適合與計算機接口作數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)

3、處理。目前一般光子計數(shù)器的探測靈敏度優(yōu)于1017W，這是其它探測方法所不能比擬的。一、實驗?zāi)康模?）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驗技術(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、實驗裝置圖1 GSZF-2A單光子計數(shù)實驗系統(tǒng)圖2 單光子計數(shù)器的框圖圖3 光路圖三、單光子計數(shù)實驗原理單光子計數(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，每個入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

4、，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的脈沖通過就能實現(xiàn)單光子計數(shù)。 圖4 光電倍增管輸出脈沖分布 單光子計數(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

5、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，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，甄別器無輸出。如果把甄別電平選在與圖4中谷點對應(yīng)的脈沖高度V

6、h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，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分曲線制冷器溫度指示光闌筒光源功率計衰減片高壓電源窄帶濾波器放大器甄別器計算機示波器光電倍增管放大器甄別器計算機示波器圖7 光路圖4、實驗內(nèi)容、實驗內(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

7、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，確定測量弱光時的最佳閾值（甄別）電平 。3.觀察不同入射光強光電倍增管的輸出波形分布，推算出相應(yīng)的光功率4.用時間方式推出相應(yīng)的入射光功率注意事項注意事項1、入射光源強度要保持穩(wěn)定。2、光電倍增管要防止入射強光，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)過長時間工作才能趨于穩(wěn)定。因此，開機后需要經(jīng)過充分的預(yù)熱時間，至少二十到三十分鐘以上，才能進(jìn)行實驗。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