第八章 光電檢測

第八章光電檢測技術(shù)的典型應(yīng)用鎖相放大器取樣積分器光子計數(shù)器8.1微弱信號檢測技術(shù)8.2光電開關(guān)和光電轉(zhuǎn)速計

8-1引言在自然現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)研究和工程實(shí)踐中,經(jīng)常會遇到需要檢測微弱信號的問題,比如:測定地震的波形和波速；材料分析時測量熒光光強(qiáng)；衛(wèi)星信號的接收；紅外探測；生物電信號測量……

信號的微弱是相對的

一個人有1米7高喜歡到小朋友中間，鶴立雞群，容易被看到來到NBA球隊(duì)，太渺小，被淹沒了微弱信號檢測是一門新興的技術(shù)學(xué)科，它利用電子學(xué)、信息論和物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測信號的特點(diǎn)和相關(guān)性，檢測被噪聲淹沒的微弱信號。弱信號的含義：絕對意義：信號本身非常弱，幅度值極小-----放大。相對意義：相對于噪聲而言，信號極其微弱，被噪聲淹沒，也就是說信噪比極低—提高信噪比；單純的幅度小而信噪比不是很低的信號稱之為小信號。弱信號檢測的任務(wù)：在有效抑制信噪比的條件下放大弱信號的幅度，其中抑制噪聲，提高信噪比極為關(guān)鍵。噪聲與干擾的定義噪聲：通常把由于材料或器件（內(nèi)部電路器件）的物理原因產(chǎn)生的擾動稱為噪聲，頻譜分布一般比較寬；干擾：把來自外部（人為或者自然）的擾動稱為干擾，往往有一定的規(guī)律性和途徑，可以減少或消除。廣義噪聲：就是擾亂或者干擾有用信號的某種不期望有的擾動。噪聲雖然無用，雖然討厭，但是它時刻不在，既然躲不過，那么回避不如勇敢面對微弱檢測信號的原理壓縮檢測通道帶寬：噪聲在時間和幅度變化上都是隨機(jī)發(fā)生的，分布在很寬的頻譜范圍。信號所占的頻帶比較集中，信號的頻譜分布和噪聲的頻譜分布大部分不重疊，不同步。噪聲是隨機(jī)白噪聲時，檢測通道輸出的噪聲正比于頻帶寬的平方根，只要壓縮的帶寬不影響信號輸出就能大幅度降低噪聲。取樣平均處理：信號的增加取決于取樣總數(shù)，隨機(jī)噪聲的增加卻僅由取樣數(shù)的平方根決定?？梢愿纳菩旁氡取３Ｓ玫奈⑷豕庑盘枡z測方式：鎖相放大器、取樣積分器、光子計數(shù)器。測量技術(shù)的分類非相關(guān)測量普通的電壓表，示波器，頻率計等優(yōu)點(diǎn)：使用方便，用途廣泛相關(guān)測量鎖相放大器，取樣積分器，光子計數(shù)器,數(shù)字濾波器等優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，靈敏度高鎖相放大器概述鎖相放大器解決如何在很強(qiáng)的外部干擾環(huán)境中檢測弱信號。具有十分窄小信號和噪聲帶寬，信噪比可低達(dá)10×10-5。

在弱信號探測儀器中鎖相放大器是一個非常重要的品種。鎖相放大器屬于利用互相關(guān)原理設(shè)計的一種同步相干檢測儀，是對被測信號和參考信號進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的電子設(shè)備。利用參考信號與被測信號的互相關(guān)特性，提取出與參考信號同頻率和同相位的被測信號。8-2鎖相放大器用調(diào)制器將直流或漸變信號調(diào)制，進(jìn)行交流放大，可以避免噪聲的不利影響；利用相敏檢測器實(shí)現(xiàn)對調(diào)制信號的解調(diào)，同時檢測頻率和相位，噪聲與信號同頻又同相的概率很小；利用低通濾波器來抑制噪聲，低通濾波器的頻帶可以做的較窄，而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也大大地提高。鎖相放大器有三個特點(diǎn)鎖相放大器的工作原理1962年第一臺儀器問世。據(jù)統(tǒng)計，已在幾百種場合中得到應(yīng)用。在弱信號探測儀器中鎖相放大器是一個非常重要的品種。信噪比可低達(dá)10-5。BW=0.0004Hz（相當(dāng)于Q值=108）。典型鎖相放大器原理鎖相放大器的組成方框圖主要包括三個部分：信號通道，參考通道和相敏檢波信號通道對混有噪聲的初始信號進(jìn)行選頻放大，對噪聲作初步的窄帶濾波參考通道通過鎖相和移相提供一個與被測信號同頻，同相的參考電壓。相敏檢波由混頻乘法器和低通濾波器組成。典型鎖相放大器原理設(shè)乘法器的輸入信號為Vs和Vr：則輸出信號為：通過輸入信號和參考信號的相關(guān)運(yùn)算，輸出信號的頻譜由ω0變換到差頻Δω與和頻2ω0的頻段上。和頻信號分量被低通濾波器濾除，可以利用低通濾波器得到窄帶的差頻信號。上式表明在輸出信號中只是那些與參考信號電壓同頻率的分量才使差頻信號為零，此時輸出信號為直流信號，它的幅值取決于輸入信號幅值并與參考信號和輸入信號相位差有關(guān)，即：當(dāng)θ＝0時，，θ＝π/2時，V′0＝0

也就是說，在輸入信號中，只有被測信號本身和參考信號有同頻鎖相關(guān)系而得到最大直流輸出，其他噪聲信號或者由于頻率不同，造成Δω≠0的交流分量，被后接的低通濾波器濾除，或者由于相位不同而被相敏檢波器截止。那些與參考分量同頻同相的噪聲分量也能夠輸出直流分量，但它們只占白噪聲的極小部分。所以鎖相放大器能以極高的信噪比由噪聲中提取出有用信號鎖相放大技術(shù)的四個基本環(huán)節(jié)：通過調(diào)制或斬光，將被測信號由零頻范圍轉(zhuǎn)移到設(shè)定的高頻范圍內(nèi)。檢測系統(tǒng)變成交流系統(tǒng)；在調(diào)制頻率上對有用信號進(jìn)行選頻放大；在相敏檢波中對信號解調(diào)。同步解調(diào)作用截斷了非同步噪聲信號，使輸出信號的帶寬限制在極窄的范圍內(nèi)；通過低通濾波器對檢波信號進(jìn)行低通濾波。3、特點(diǎn)：要求對入射光束進(jìn)行斬光或光源調(diào)制，適用于調(diào)幅光信號的檢測；極窄帶高增益放大器，增益可達(dá)1011，帶寬窄到0.0004Hz；交流－直流信號變換器；可以補(bǔ)償光檢測中的背景輻射噪聲＆前置放大器的固有噪聲。信噪比改善可達(dá)1000倍。19208-3取樣積分器1.鎖相放大器的局限性（1）只能用正弦波、方波，對于寬帶任意波形的信號無能為力。（2）鎖相放大器實(shí)質(zhì)是濾波器，靠降低等效噪聲帶寬來抑噪。但在強(qiáng)干擾噪聲背景下，寬帶信號的檢測用壓縮帶寬的辦法效果不明顯。一.概述2.解決途徑取樣積分器（Boxcar積分器）將待測的周期信號逐點(diǎn)多次取樣并進(jìn)行同步積累。將時間變化的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閷r間變化的離散量的集合，這種集合即為信號的低頻復(fù)制。利用它可以解決在強(qiáng)噪聲背景下任意形狀的寬帶周期信號的檢測和波形再現(xiàn)問題。

首先，微弱周期信號的周期是已知的，這種信號一般是在主動測量中，源發(fā)出的周期性信號與被測物體作用后產(chǎn)生的，被檢測的微弱信號的周期和源發(fā)出的周期性信號的周期存在一定的關(guān)系，或者相等，或者存在某種函數(shù)關(guān)系。

取樣積分法工作的前提:如果我們能夠很準(zhǔn)確地對準(zhǔn)周期信號的某一點(diǎn)（如圖），在每個周期的這一時刻，都對信號進(jìn)行取樣，并把取樣值保存在積分器中；經(jīng)過ｍ次取樣后，信號得到了增強(qiáng)，而噪聲由于隨機(jī)性，相互抵消了一部分所以信號在噪聲中顯現(xiàn)出來。如果對周期信號的每一點(diǎn)都這樣處理，那就有可能將被噪聲淹沒的信號恢復(fù)波形。

1、取樣積分器的工作原理取樣點(diǎn)的值，應(yīng)是信號和噪聲的和，我們以信號和噪聲功率平均值來看積分前后信噪比的變化。若輸入信號為Vsi，經(jīng)過積分器M次積累后所得到的輸出電壓為輸出信號品均功率為：二.取樣積分器的工作原理和分類噪聲電壓是隨機(jī)量Vni

，經(jīng)過m次積累以后，相加所得值Vn仍為隨機(jī)變量當(dāng)噪聲的分布是正態(tài)分布時，數(shù)學(xué)期望值為0，方差等于噪聲平均功率Pni

，所以輸出電壓Vn也是正態(tài)分布的隨機(jī)變量，其數(shù)學(xué)期望：功率信噪比：通過累積以后功率信噪比為：信號噪聲幅值比（(SNIR)）為：結(jié)論：1）、經(jīng)過m次積累以后，功率信噪比可以提高m倍，信號噪聲幅值比提高了倍。2）、取樣點(diǎn)數(shù)越多，測量次數(shù)越多，信噪比改善越明顯，信號恢復(fù)越精確，但需要品均積累的時間也越長。3）、微弱信號檢測的靈敏度是以犧牲時間為代價的。Boxcar工作原理上面講的這種取樣積分法，只能恢復(fù)周期性信號某一點(diǎn)的幅值，故稱為定點(diǎn)取樣工作模式。周期信號波形的恢復(fù)必須在定點(diǎn)取樣積分器的基礎(chǔ)上，對周期信號的一周期內(nèi)的各點(diǎn)進(jìn)行掃描，把周期信號每一點(diǎn)的幅值都恢復(fù)出來，這就必須采取掃描工作方式。取樣積分器分類：掃描取樣積分器3.多點(diǎn)信號平均器前面已經(jīng)說明，掃描取樣積分器在信號重復(fù)出現(xiàn)的一個周期內(nèi)只對信號取樣一次。因此要取出信號一個周期內(nèi)的完整波形需要nT的時間。因此，取樣積分器在時間上的利用率是很低的。為了縮短恢復(fù)波形所需要的時間，可以使用多個取樣積分器，在每個信號重復(fù)周期內(nèi)對信號逐次多點(diǎn)取樣。在有效的觀察時間內(nèi)，信號每重復(fù)一次，各取樣積分器上存儲的信號電壓就進(jìn)行一次累加，多次累加的結(jié)果，使信噪比得到改善;多點(diǎn)信號平均器就是這樣一種實(shí)時取樣系統(tǒng)，它等效于大量單點(diǎn)取樣積分器在不同延時的情況下并聯(lián)使用。

多點(diǎn)信號平均器對于恢復(fù)被噪聲淹沒的重復(fù)信號是一個強(qiáng)有力的工具，由于Boxcar是單點(diǎn)步進(jìn)多次取樣平均，因此需要測量時間很長。而多點(diǎn)信號平均器則是在信號的一個周期內(nèi)對信號多點(diǎn)取樣，在獲得同樣SNIR的情況下多點(diǎn)信號平均器所需時間只是單點(diǎn)平均器測一點(diǎn)的平均時間。所以可節(jié)省測量時間。多點(diǎn)信號平均器是實(shí)時取樣，不會使被恢復(fù)的弱信號變形（拉長），這是Boxcar所不能比擬的。

多點(diǎn)信號平均器有模擬式和數(shù)字式兩種:模擬式多點(diǎn)平均器的存貯器是電容，數(shù)字式多點(diǎn)平均器的存貯器是半導(dǎo)體存貯器，模擬式多點(diǎn)信號平均器原理框圖如圖所示：EG&GPrincetonAppliedResearchModel162BoxcarAveragerEG&GPrincetonAppliedResearchModel4100BoxcarAveragerSRSBoxcar8-4光子計數(shù)一、單光子計數(shù)技術(shù)概述光子計數(shù)器是利用光電倍增管能檢測單個光子能量的功能，通過光電子計數(shù)的方法測量極微弱光脈沖信號的裝置。當(dāng)可見光的輻射功率低于１０-12Ｗ，即光子速率限制在10９/s以下時，光電倍增管光電陰極發(fā)射出的光電子就不再是連續(xù)的。因此，在倍增管的輸出端會產(chǎn)生有光電子形式的離散的信號脈沖?？山柚娮佑嫈?shù)的方法檢測到入射光子數(shù)，實(shí)現(xiàn)極弱光強(qiáng)或通量的測量。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；●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?jǐn)?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。

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。二、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:D1D3D5D7D9D2D4D6D8D10K是光電陰極，D是聚焦極，D1~D10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)KA2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τ。渡越時間離散性：

τ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是不同的，這個時間差，就稱為渡越時間離散，記為Δτ。渡越時間離散Δτ和渡越時間τ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Δτ很小，渡越時間τ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KA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。三、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Δτ決定。光電倍增管的渡越時間離散Δτ為10~20ns，因此輸出電流脈沖的半寬度tw亦為10~20ns。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(shí)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λ=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。

鎖定放大單光子檢測技術(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)定因素的影響較小；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；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?jǐn)?shù)據(jù)處理。

四、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）雪崩光電二極管（APD）增強(qiáng)型光電二極管（IPD）微通道板（MCP）微球板（MSP）真空光電二極管（VAPD）五、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尤為迫切。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1050nm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(shí)際應(yīng)用中人們還是選用Si-APD雪崩光電二極管?，F(xiàn)在對Si的研究已經(jīng)趨于成熟，Si-APD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，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商用InGaAs-APD。目前對這兩個波段的單光子探測一般都是關(guān)于利用現(xiàn)有針對光纖通信的商用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。

本章結(jié)束第五章

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)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?。弧裣颂綔y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；●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?jǐn)?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。

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?！?.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:D1D3D5D7D9D2D4D6D8D10K是光電陰極，D是聚焦極，D1~D10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)KA2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τ。渡越時間離散性：

τ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是不同的，這個時間差，就稱為渡越時間離散，記為Δτ。渡越時間離散Δτ和渡越時間τ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Δτ很小，渡越時間τ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KA3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3~6，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9~14，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3~6計，n按9~14計，則光電倍增管的增益G可高達(dá)7.8×1010，一般為105~108之間。

光電倍增管吸收一個光子后，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10~20ns。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：4PMT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Ca≤20pF，取陽極負(fù)載Ra=50Ω，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RaCa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?！?.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900~2000V之間，由實(shí)驗(yàn)確定。原則：各倍增極電壓在80~150V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：IR≥20Iamax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20KΩ~1MΩ范圍內(nèi)。

由于最后幾級倍增極的瞬時電流很大，會使R9~R11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0.002~0.05μF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)?！?.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8μA，寬度為20ns，前置放大器的輸入阻抗為50Ω，則前放輸入端電壓脈沖幅度為：0.4mV，脈沖寬度為：20ns。

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?！?.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Δτ決定。光電倍增管的渡越時間離散Δτ為10~20ns，因此輸出電流脈沖的半寬度tw亦為10~20ns。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(shí)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λ=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)器計數(shù)。

§5.5光子計數(shù)器中的鑒別器雙閾值鑒別器方框圖如圖所示:這種鑒別器由于有二個閾值電平，故可設(shè)有三種工作方式。

這種鑒別器由于有二個閥值電平，

故可設(shè)有三種工作方式

（1）單電平工作方式

（2）窗口工作方式

（3）校正工作方式

第一鑒別電平和第二鑒別電平值，由PMT的脈沖高度分布（PHD）曲線決定§5.6光電倍增管的單光子響應(yīng)峰可以通過實(shí)驗(yàn)來獲得光電倍增管的脈沖高度分布曲線。下圖為測量光電倍增管的脈沖高度分布曲線的原理框圖。

典型的PHD曲線窗口比較器有兩個比較電平VH和VL。VH為上限電平，VL為下限電平，當(dāng)輸入脈沖高度Vi在VH和VL之間時，即VH>Vi>VL，窗口比較器輸出一個計數(shù)脈沖，供計數(shù)器計數(shù)。選定不同的窄窗口，對確定的時間間隔進(jìn)行計數(shù)，即可作出光電倍增管的PHD曲線。為了分析和比較的需要，給出峰谷比和分辨率的定義如下：

光子計數(shù)器中使用的光電倍增管除了要達(dá)到前述的有關(guān)特性和要求之外，還應(yīng)該有明顯的單光子響應(yīng)峰。峰谷比越大或分辨率越小的光電倍增管越適合于光子計數(shù)器使用。在低計數(shù)率的弱光下不存在明顯的雙光子峰?！?.7光電倍增管的計數(shù)坪區(qū)

—最佳偏壓的選擇對同一個光電倍增管測量它的計數(shù)率和陽極與陰極高壓之間的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高壓增加時，計數(shù)率增加。隨著高壓的增加，計數(shù)率逐漸出現(xiàn)一個變化緩慢的坪區(qū)。將光電倍增管置于完全黑暗狀態(tài)測量其暗計數(shù)，則發(fā)現(xiàn)暗計數(shù)與高壓的關(guān)系不存在坪區(qū)，暗計數(shù)是隨高壓增加而不斷增加PMT的計數(shù)坪區(qū)為了獲得最大信噪比，陽極對陰極的高壓應(yīng)選擇為ua1即計數(shù)率開始進(jìn)入坪區(qū)時的高壓，這是最佳偏置電壓。小的暗計數(shù)適合于光子計數(shù)器使用。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?。弧裣颂綔y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；●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?jǐn)?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。

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?！?.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:D1D3D5D7D9D2D4D6D8D10K是光電陰極，D是聚焦極，D1~D10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)KA2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τ。渡越時間離散性：

τ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是不同的，這個時間差，就稱為渡越時間離散，記為Δτ。渡越時間離散Δτ和渡越時間τ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Δτ很小，渡越時間τ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KA3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3~6，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9~14，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3~6計，n按9~14計，則光電倍增管的增益G可高達(dá)7.8×1010，一般為105~108之間。

光電倍增管吸收一個光子后，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10~20ns。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：4PMT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Ca≤20pF，取陽極負(fù)載Ra=50Ω，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RaCa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?！?.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900~2000V之間，由實(shí)驗(yàn)確定。原則：各倍增極電壓在80~150V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：IR≥20Iamax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20KΩ~1MΩ范圍內(nèi)。

由于最后幾級倍增極的瞬時電流很大，會使R9~R11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0.002~0.05μF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)?！?.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8μA，寬度為20ns，前置放大器的輸入阻抗為50Ω，則前放輸入端電壓脈沖幅度為：0.4mV，脈沖寬度為：20ns。

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=1