實驗五 單光子計數(shù)實驗

實驗五單光子計數(shù)實驗光子計數(shù)技術，是檢測極微弱光的有利手段。這一技術是通過分辯單光子在檢測器（光電倍增管）中激發(fā)出來的光電子脈沖，把光信號從熱噪聲中以數(shù)字化的方式提取出來。這種系統(tǒng)具有很好的長時間穩(wěn)定性和很高的探測靈敏度。目前，光子計數(shù)系統(tǒng)廣泛應用于科技領域中的極微弱光學現(xiàn)象的研究和某些工業(yè)部門中的測試工作。一、實驗的目的1、學習光子計數(shù)技術原理。2、掌握光子計數(shù)系統(tǒng)中主要儀器的基本操作。3、掌握用光子計數(shù)系統(tǒng)微弱光信號的方法。二、實驗儀器光電倍增管、電腦控制軟件、制冷系統(tǒng)、光電信號放大和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。三、實驗的原理和結構光子.光是由光子組成的光子流，光子是一種沒有靜止質量，但有能量（動量）的粒子一個頻率為v（波長為九）的光子，其能量為E二hv二he/九p式中普朗克常數(shù)h=6.6x10-34（j.S）,光速c=3.0x108（m/s）.以波長為九=6.3x10-7m的氦－氖激光為例，一個光子的能量為：仝3.1x10-19(J)廠6.6x仝3.1x10-19(J)E=p6.3x10-7一束單色光的功率等于光子流量乘以光子能量，即P=R?EP光子流量R（光子個數(shù)/s）為單位時間內通過某一截面的光子數(shù).如果設法測出入射光子的流量R,就可以計算出相應的入射光功率P.有了一個光子能量的概念，就對微弱光的量級有了明確的認識，例如，對于氦－氖激光器而言，lmw的光功率并不是弱光范疇.因為光功率P=lmw，則PR==3.2x1015光子/sEp所以，lmw的氦一氖激光，每秒有1015量級的光子，從光子計數(shù)的角度看，如此大量的光子數(shù)是很強的光了.對于光子流量值為1的氦一氖激光，其光功率是3.1x10-19W.當R=1000個光子/s時，則光功率為3.1x10-15W.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點，采用脈沖高度甄別和數(shù)子計數(shù)技術將掩沒在背景噪聲中的弱光信號提取出來。當弱光照射到光陽極時，每個入射光子以一定的概率（即量子效應）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。除了電子脈沖外，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下圖5-1所示。脈沖的幅度較小的主要是熱反射噪聲信號，而光陰極發(fā)射的電子（包括光電子和光電子）形成

的脈沖的幅度較大，出現(xiàn)“單光子峰”。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)。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，安電流要?。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，應有一定增益，上升時間W3ns,即放大器的通頻帶寬達lOOMz；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。脈沖計數(shù)率脈沖計數(shù)率Vh（甄別電平）脈沖幅度V圖5-l光電倍增管輸出脈沖分布單光子計數(shù)器器的框圖見圖5-2整形輸出圖5-2單光子計數(shù)器器的框圖在脈沖幅度甄別器里設有一個連續(xù)可調的參考電壓Vh。如圖5-3所示，當輸入脈沖高度低于Vh時，甄別器無輸出。只有高于Vh的脈沖，甄別器輸出一個標準脈沖。如果把甄別器電平選在圖5-3中的谷點對應的脈沖高度上，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。計數(shù)器的作用是在規(guī)定的測量時間間隔內將甄別器的輸出脈沖累加極數(shù)。圖5-3甄別器工作示意圖（a）放大器輸出（b）甄別器的輸出四、操作方法軟件安裝后，從“開始”菜單執(zhí)行“程序”組的“GSZF-2”組，即可啟動GSZF-2控制處理系統(tǒng)。（詳看使用說明書）使用五、實驗步驟1、連接好電纜及信號線；2、打開電源；（開電源前，請檢查不要讓強光照射接收器）3、啟動軟件；4、在暗環(huán)境下，作閾值；并打印圖形；5、設定參數(shù)，（512以上）采集數(shù)據(jù)后自動尋峰，記錄尋峰值作泊松分布圖；并打印圖形；6、工作結束后，關閉軟件；關閉儀器電源。六、思考與討論1、影響光子計數(shù)系統(tǒng)的測