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單光子計數(shù)實(shí)驗第1頁,課件共19頁,創(chuàng)作于2023年2月一、實(shí)驗?zāi)康模河^察微弱光的光量子現(xiàn)象;研究鑒別電壓(閾值)對系統(tǒng)性能的影響,確定最佳鑒別電壓(閾值);了解光子計數(shù)器的信噪比,測試光子計數(shù)器的最低暗計數(shù)率和最小可檢測光計數(shù)率;學(xué)習(xí)用光子計數(shù)器測量微弱光信號的原理與技術(shù)。第2頁,課件共19頁,創(chuàng)作于2023年2月二、實(shí)驗原理和儀器結(jié)構(gòu)2.1原理光子是靜止質(zhì)量為零,有一定能量的粒子。光是由光子組成的,光子的能量和波長(或頻率)有關(guān),即:對于波長λ=600nm的桔紅色光,每個光子的能量約為3.3×10-19J。如果用R(CPS)表示表示到達(dá)光陰極的光子通量(光子數(shù)/秒),則光束功率P和光子通量R之間的關(guān)系為:第3頁,課件共19頁,創(chuàng)作于2023年2月光子通量R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:R(CPS)P(W)檢測方法超微弱光103.3×10-18光子計數(shù)1023.3×10-171033.3×10-161043.3×10-15微弱光1053.3×10-141063.3×10-13鎖相放大1073.3×10-121083.3×10-111093.3×10-10第4頁,課件共19頁,創(chuàng)作于2023年2月光子計數(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的光束功K光子D1D2DnAR1率,不能測量含有多光子的光脈沖功率。第5頁,課件共19頁,創(chuàng)作于2023年2月光電倍增管的工作原理如圖1所示。它是一種噪聲小、高增益的光電傳感器,當(dāng)弱光照射到光陰極K時,每個入射光子以一定的概率(即量子效率η)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(打拿極)回路中形成一個電流脈沖,通過負(fù)載電阻R形成一個電壓脈沖,這個脈沖稱為單光子脈沖,也稱為光電子脈沖。如果入射光很弱,入射的光幾乎是一個個離散地入射到光陰極上的,則在陽極上得到一系列離散的脈沖信號。即光電倍增管輸出的光信號是離散的尖脈沖,這些脈沖的平均計數(shù)效率與光子的流量成正比。第6頁,課件共19頁,創(chuàng)作于2023年2月

在可見光的微弱、超微弱光檢測中,目前光電倍增管是唯一適合在光子計數(shù)方法中使用的光信號探測器件。光電倍增管響應(yīng)時間短、靈敏度高,能夠輸出適合光子計數(shù)的離散脈沖信號。采用高頻示波器(200MHz以上)可以觀察到用光電倍增管接收到的微弱光的輸出信號。當(dāng)光強(qiáng)度較大時,從光電倍增管輸出的信號是一直流電平;隨著光強(qiáng)度的逐漸減弱,光電倍增管中輸出的直流分量愈來愈小,起伏的交流成分愈來愈大,從而成為一系列的脈沖信號。第7頁,課件共19頁,創(chuàng)作于2023年2月脈沖高度分布(PHD):

光電倍增管暗計數(shù)(陰極和打拿極的熱電子發(fā)射、光反饋、宇宙射線等)的脈沖高度與信號的脈沖高度有如下關(guān)系:各級打拿極熱電子發(fā)射的脈沖高度小于光信號的脈沖高度,其脈沖數(shù)很大;光陰極的熱電子發(fā)射及反饋光子的光電激發(fā)產(chǎn)生的脈沖高度等于光信號的脈沖高度,其脈沖數(shù)很少;宇宙射線激發(fā)輸出的脈沖高度大于光信號的脈沖高度,其脈沖數(shù)很少。由此,可得光電倍增管輸出的噪聲、信號及信號加噪聲的脈沖高度分布(PHD),如圖3所示。第8頁,課件共19頁,創(chuàng)作于2023年2月圖3光電倍增管的脈沖高度分布圖單光子峰計數(shù)率噪聲計數(shù)率

信號計數(shù)率信號+噪聲脈沖高度脈沖高度脈沖高度第9頁,課件共19頁,創(chuàng)作于2023年2月

適合光子計數(shù)用的光電倍增管在脈沖高度分布圖上需要具備明顯的單光子峰光電倍增管的這種PHD特性是選擇其能否作光子計數(shù)使用的條件,很多光電倍增管由于不具備明顯的單光子峰而不能用于光子計數(shù)。

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(有紫外、可見光和紅外等波段劃分),暗電流要?。ㄅc無激光輸入時對應(yīng)的計數(shù)率即暗計數(shù)率相對應(yīng)),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)系到光子計數(shù)器能否正常工作。

單光子計數(shù)器的框圖見圖5。第10頁,課件共19頁,創(chuàng)作于2023年2月

在脈沖幅度甄別器里設(shè)有一個連續(xù)可調(diào)的參考電壓Vh。如圖6所示,當(dāng)輸入脈沖高度低于Vh時,甄別器無輸出。只有高于Vh的脈沖,甄別器輸出一個標(biāo)準(zhǔn)脈沖。如果把第11頁,課件共19頁,創(chuàng)作于2023年2月

甄別電平選在圖4中的谷點(diǎn)對應(yīng)的脈沖高度上,就能去掉大部分噪聲脈沖而只有光電子脈沖通過,從而提高信噪比。脈沖幅度甄別器應(yīng)甄別電平穩(wěn)定;靈敏度高;死時間小、建立時間短、脈沖對分辨率小于10ns,以保證不漏計。甄別器輸出經(jīng)過整形的脈沖。第12頁,課件共19頁,創(chuàng)作于2023年2月

計數(shù)器的作用是在規(guī)定的測量時間間隔內(nèi)將甄別器的輸出脈沖累加計數(shù)。2.2結(jié)構(gòu)

光源:用高亮度發(fā)光二極管作光源,波長中心500nm,半寬度30nm。為提高入射光的單色性,儀器準(zhǔn)有窄帶濾光片,其半寬度為18nm。接收器:接收器采用CR125光電倍增管為接收器。實(shí)驗采用半導(dǎo)體致冷器降低光電倍增管的工作溫度,最低溫度可達(dá)-20℃。光路:實(shí)驗系統(tǒng)的光路如圖7所示:第13頁,課件共19頁,創(chuàng)作于2023年2月2.3光子計數(shù)器的誤差及信噪比泊松統(tǒng)計噪聲:用光電倍增管探測熱光源發(fā)射的光子,光子打到熱陰極上的時間間隔是隨機(jī)的,對于大量粒子的統(tǒng)計而言是服從泊松分布的。其信號的不確定度通常用均方根偏差σ來表示。其中,η是光電倍增管的量子計數(shù)效率,R是光子平均流量,即單位時間通過光束截面的光子個數(shù),也稱為光子計數(shù)率。N=ηRt是時間間隔t內(nèi)光電倍增管的光陰極發(fā)射的光電子平均數(shù),稱為光子計數(shù)。這種不確定度稱之為統(tǒng)計噪聲,如平均計數(shù)

,則可能的誤差為10,瞬時計數(shù)值為

,在90-110之間。第14頁,課件共19頁,創(chuàng)作于2023年2月三實(shí)驗內(nèi)容軟件安裝后,從“開始”菜單執(zhí)行“程序”組中的“GSZF-2A”組,即可啟動GSZF-2A控制處理系統(tǒng)。工作界面介紹進(jìn)入系統(tǒng)后,首先彈出如圖13的友好界面,等待用戶單擊鼠標(biāo)或鍵盤上的任意鍵;當(dāng)接收到鼠標(biāo)、鍵盤事件或等待五秒鐘后,馬上顯示工作界面(如圖14)。第15頁,課件共19頁,創(chuàng)作于2023年2月參數(shù)設(shè)置

標(biāo)題付工具工作工具第16頁,課件共19頁,創(chuàng)作于2023年2月在參數(shù)設(shè)置窗口中設(shè)置好各項參數(shù):模式為域值方式,時間單位為毫秒,采樣間隔和積分時間均為1000或1000,高壓為8;單擊工具欄開始按鈕,將得到一光源功率對應(yīng)的光子數(shù)—域值電壓的積分曲線,單擊數(shù)據(jù)/圖形處理菜單中的微分命令,找出微分后圖形的斜率突變點(diǎn)即域值點(diǎn)的域值電平。將模式改為“時間方式”,將上面測出的域值設(shè)置在參數(shù)窗口的域值框中。關(guān)閉光源,開始采集數(shù)據(jù),得一振蕩曲線,保存數(shù)據(jù)。打開保存文本文件,將所有數(shù)據(jù)復(fù)制到Word文檔里,制成表格,再將這些數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel文件里,將所需數(shù)據(jù)求平均,即得到背景計數(shù)Nd。打開光源開關(guān),轉(zhuǎn)動光源強(qiáng)

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