實驗21-單光子計數(shù)實驗(已完成)課件

1、實驗二十一 單光子計數(shù)實驗近代物理實驗鄭州大學物理實驗中心實驗二十一 單光子計數(shù)實驗近代物理實驗鄭州大學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。它可以探測弱到光能量以單光子到達時的能量。目前已被廣泛應用于喇曼散射探測、醫(yī)學、生物學、物理學等許多領域里微弱光現(xiàn)象的研究。實驗背景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、鎖相放大技術和單光子計數(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光子計數(shù)

2、也就是光電子計數(shù)，是微弱光（低于1014W）信號探后來發(fā)展了鎖相，它利用待測信號和參考信號的互相關檢測原理實現(xiàn)對信號的窄帶化處理，能有效的抑制噪聲，實現(xiàn)對信號的檢測和跟蹤。但是，當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和數(shù)字計數(shù)技術。與模擬檢測技術相比單光子計數(shù)技術相比有以下優(yōu)點：1、測量結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，提高了測量結果的信噪

3、比?？赏_到由光發(fā)射的統(tǒng)計漲落性質所限制的信噪比值。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)字數(shù)據(jù)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。后來發(fā)展了鎖相，它利用待測信號和參考信號的互相關檢測原理實現(xiàn)（1）掌握一種弱光的檢測技術，了解光子技術的基本原理和基本實驗技術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。實驗目的實驗目的實驗裝置圖1 GSZF-2A單光子計數(shù)實驗系統(tǒng)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2 單光子計數(shù)器的框圖圖3 光路圖圖3 光路圖實驗原理單光子計數(shù)

4、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)技術將淹沒在背景噪聲中的弱光信號提取出來。當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，通過負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

5、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)。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圖4 光電倍增管輸出脈沖分布圖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應適合所用的工作波段，暗電流要?。ㄋ鼪Q定管子的探測靈敏度），相應速度及光陰極穩(wěn)定。光電倍增管性能的好壞直接關系到光子計數(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，應有一定的增益，上升時間3ns,即放大器的通頻帶寬達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

6、脈沖幅度甄別器。圖5 甄別器的作用a放大后b甄別后 單光子計數(shù)器中使用的光電倍增管其光譜響應應適合所脈沖高度甄別器 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。在甄別器內設有一個連續(xù)可調的參考電壓甄別電平Vh。如圖5所示，當輸出脈沖高度高于甄別電平Vh時，甄別器就輸出一個標準脈沖；當輸入脈沖高度低于Vh時，甄別器無輸出。如果把甄別電平選在與圖4中谷點對應的脈沖高度Vh上，這就棄除了大量的噪聲脈沖，因對光電子脈沖影響較小，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：當用單電平的脈沖高度甄別器鑒別輸出時，對應某一電平值V，得到的是脈沖幅度大于或等

7、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對應單光電子峰。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，圖6光電倍增管脈沖高度分布積分曲線圖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實驗內容及步驟 將冷卻水管接在水龍頭上并開始通水，打開光子計數(shù) 器開關。兩分鐘后打開制冷器開關。2.約20分鐘后，待PV顯示值

8、與SV顯示相符合后，打開 計算機開始采集數(shù)據(jù)。3.開機后，在桌面上打開“單光子計數(shù)”文件，將模式項為“閾值方式”，改變參數(shù)。然后點“開始”開始,采集數(shù)據(jù)，得到一曲線，取閾值。4.將模式改為 “時間方式”，將閾值定為前面測出的值。 采集數(shù)據(jù)，得到一振蕩的曲線，將之保存，所得數(shù)據(jù)求平均，即得到背景計數(shù)Nd。 實驗內容及步驟 將冷卻水管接在水龍頭上并開始通水，打開光子計 7. 根據(jù) , 求得信噪比。 8. 改變設定溫度SV，再重復實驗，看信噪比與溫度 有何關系。9. 實驗結束后，關閉單光子計數(shù)器及制冷器開關，關 閉計算機與光源電源。2分鐘后再關閉水源。5. 然后將光源的電源打開，轉動光強調節(jié)紐，將光

9、強設定為某一強度。開始采集數(shù)據(jù)，得到一振蕩的曲線，將之保存。將所需數(shù)據(jù)求平均，即得到總計數(shù) Nt。 6 . 改變光源強度，再重復8，9步，看信噪比有何變化 7. 根據(jù) 1、 在開制冷器前，一定先通冷卻水。關閉制冷 器后才能切斷水源，否則將發(fā)生嚴重事故。2、 保存曲線時，若想將不能曲線比較，應將這些曲 線存在不同寄存器中，否則不能同時打開。3、 測量時，不可打開光路的上蓋。以避免雜散光的影 響?！咀⒁狻績x器通電后，在開燈情況下，絕不能打開儀器上蓋，旋下減光筒上的“窄帶濾光片”和“衰減濾光片”，以免進入強光損壞光電倍增管。注意事項 1、 在開制冷器前，一定先通冷卻水。關閉制冷注意事項 問題思考：（1）為什么由持續(xù)照射光源得到的弱光信號可以用脈沖計數(shù)辦法來測量？（2）接受光功率p0與推