单光子计数-吕茂文

1、单光子计数实验系统的研究单光子计数实验系统的研究 指导老师：熊狂炜 学生姓名：吕茂文 专业：光信息科学与技术1.1 单光子计数的发展单光子计数的发展l近30年来,在研究宏观和微观世界的过程中,科学家们不断开发能把淹没在噪声的大量有用信息检测出来的理论和方法,通过不断的系统化,完整化,从而形成了一种新的微弱信号检测的方法-单光子计数法。 1.2 单光子计数的应用单光子计数的应用 光子计数成像技术 ，测量长余辉材料的发光 ，单光子测距,天文测光，大气测污，分子生物学,光时域反射,超高分辨率光谱学，非线性光学等现代科学技术领域有着广泛的应用。 2.1 单光子计数实验系统和原理单光子计数实验系统和原理

2、 l本实验系统利用弱光下光电倍增管输出电流信号自然分离的特征，采用脉冲高度甄别和数字计数技术将淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。当弱光照射到光阴极时，每个入射光子以一定的概率(量子效率)使光阴极发射出一个电子。这个光电子经倍增后在阳极形成一个电流脉冲，通过负载电阻形成一个电压脉冲，即单光子脉冲。除了上述单光子脉冲外，还有各倍增极地热反射电子在阳极回路中形成的热反射噪声脉冲。热电子受倍增的次数比光电少，因而它在阳极上形成的脉冲幅度较低。此外还有光阴极的热反射形成的脉冲。噪声脉冲和光电子脉冲的幅度分布如图2-1所示。 图：21 电倍增管输出脉冲分布 图2-1中脉冲幅度较小的主要是倍增极产生的热反

3、射噪声信号，而光阴极反射的电子(包括光电子和光阴极的热反射电子)形成的脉冲幅度较大，出现“单电光子峰”。用脉冲幅度甄别器把幅度低于甄别电平的脉冲抑制掉，只让幅度高于甄别电平的脉冲通过就能实现单光子计数。 2.2 实验原理图实验原理图 图 22 单光子计数器原理框图 如图2-2：入射光子经光电倍增管形成光电子脉冲和噪声脉冲，经放大器把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大。在甄别器中设置一个连续可调的参考电压V。如在图2-1中，把参考电压设置在谷点对应的脉冲高度山，就能去掉大部分噪声脉冲而只有光电子脉冲通过，最后由计数器实现计数。3.1 确定最佳甄别电压确定最佳甄别电压l信噪比:是有用信号成份的有效值和噪

4、声成份有效值的比值。l我们用公式表示： A-B=(信号+背景)-背景=信号 A+B=(信号+背景)+背景=总计数 l阈值方式下，在外界功率P=0.02uw，积分时间为60，我们得到以下实验结果。l在上面的实验结果图中，我们找到了最佳信噪比SNR=134.9877273 ，此时对应的阈值电压就是最佳甄别电压V=270mv。3.2 最佳甄别电压是固有属性最佳甄别电压是固有属性l1：同一积分下，改变外界功率p，表: PSNRVmaxPSNRV最佳甄别电压:190mv280mvl2：同一功率，不同积分时间下，我们得到以下结果。这里功率设定为P=0.04uw。 表：tSNRV3.3 时间方式下，以最佳甄

5、别电压观察光子计数率的变化时间方式下，以最佳甄别电压观察光子计数率的变化 l在积分时间t=30，光功率P=0.04uw，采样间隔=1000ms和最佳甄别电压=240mv的外界条件下观测光计数情况，得到如图3-4 图：31l时间方式，即使是相同的阈值，每次测试的数据有着一定程度上的波动，这主要是光源的波动以及光子发射的随机性引起的，但是对整体的计数结果影响并不大。l阈值方式，并没有出现理论上的单光子峰，这主要是由光源的不稳定造成，理论上的单光子峰是以光源的绝对稳定为前提的，因此理论和实践中的数据有一定程度的区别。l另外由于暗噪声始终存在，因此最佳阈值的判断本身肯定存在着误差，这就意味着计数不可能

6、非常的精确，但只要保证数量级上的稳定，对实际应用还是有较大的借鉴意义。3.4 外界光功率外界光功率P和光计数率和光计数率Rp之间的关之间的关系系 l模式：时间方式 ；采集间隔：1000ms；起点：0ms；终点：10000ms；阈值：4；高压：8 冷却电流：4.0A。l如图3-5所示。 图 32l在理论上，即在无噪声计数时,光子计数率Y与外界功率X成完全线性关系，即Y=kX，k是常数。而在实际计数时，却并非是完全线性关系。在当光功率很小时,由于噪声计数占多数,实际光子计数率大于理论光子计数率;当光功率很大时,光电倍增管输出脉冲会出现重叠现象，实际光子计数率小于理论光子计数率.所以实际光子计数率Y

7、与外界功率X不可能完全成线性关系。3.5 外界光功率和最佳信噪比之间的曲线关外界光功率和最佳信噪比之间的曲线关系系 l在t=3，阈值方式，改变外界光功率， 表：PSNRl根据上表的数据，我们用Origin软件合成了它们之间的曲线关系： 图 33l如图3-3所示，在积分时间t=3的实验条件下测得的P-SNR基本呈线性变化，在曲线初段我们看到，曲线并不像我们所预测的直线变化，这主要是功率在较小时，噪声功率占了主要地位，随着外界光功率的不断增大，光计数率逐渐占领了主要地位，随后噪声功率对信噪比的影响越来越小。外界光功率和最佳信噪比是大致线性关系变化。 3.6 积分时间积分时间t和信噪比和信噪比SNR的关的关系系 l我们取积分值分别为：t=3，10，15，采用和前面的实验方法，