单光子探测器后脉冲概率的测量开题分析方案

1、山西大学本科毕业论文设计）开题报告姓名张永信学号 2004274062 所在专业光信息科学与技术论文设计）题目单光子探测器后脉冲概率测量实验及结果的理论分析选题的目的和意义：近年来，随着量子信息学科的发展，单光子探测器SPCM）在量子保密通讯1-3、分子荧光寿命测量4,5、单光子源制备6-8等弱光探测领域中得到了广泛的应用。相比于传统的模拟信号测量方法，单光子探测器对于工作电压及环境温度的微小变化的变化不敏感，具后更高的稳定性和信噪比。但是单光子探测器在没有光子入射时，仍然会产生一定数量的计数，严重影响着其在光子计数测量，尤箕是量子保密通讯中的应用。噪声主要有两类：一类是由于热噪声和隧穿效应引

2、起的暗计数；另一类是由于俘获载流子的再释放引起的后脉冲。暗计数率基本上与入射光强无关，而后脉冲的强度则随着入射光强的增大而增大。在计数率相对较大的实验中，如量子保密通讯中，暗计数对于测量的影响变得很微弱，如何减小后脉冲的影响就变得尤其重要。通常采用的方法为门控模式测量，即在光子到达的时才使单光子探测器的工作电压高于雪崩电压。为了设置合适的门控脉冲宽度，势必要求我们对于后脉冲的强度及时域分布进行深入了解。随着量子信息学科的发展，单光子探测器的噪声主要有两类：一类是由于热噪声和隧穿效应引起的暗计数；另一类是由于俘获载流子的再释放引起的后脉冲。暗计数率基本上与入射光强无关，而后脉冲的强度则随着入射光

3、强的增大而增大。在计数率相对较大的实验中，如量子保密通讯中，暗计数对于测量的影响变得很微弱，如何减小后脉冲的影响就变得尤其重要。通常采用的方法为门控模式测量，即在光子到达的时才使单光子探测器的工作电压高于雪崩电压。为了设置合适的门控脉冲宽度，势必要求我们对于后脉冲的强度及时域分布进行深入了解。后脉冲现象是导致单光子探测噪声的主要来源之一。在雪崩发生时，雪崩倍增区中的任何缺陷都有可能成为载流子的俘获中心。当有光子入射单光子探测器时，大量的电荷流过探测器的雪崩倍增区，一些载流子被这些缺陷俘获。当雪崩被抑制后，这些从缺陷中心释放出的载流子受到电场加速，它们会再次触发雪崩，产生与前一次雪崩脉冲相关联的

4、后脉冲，在没有光子到达时会引起一次误计数。单光子探测器的后脉冲概率可以表示为不向俘获能级概率的累加。使用时间关联单光子计数测量后脉冲，常用的方法是将单光子探测器输出的 TTL 脉冲同时连接到时1nr?幅转化仪的开始端和停止端，停止端信号相对于开始端信号的时间间隔通过 TAC 转化成与之成正比的脉冲幅度。不同幅度的电脉冲信号输入多通道分析仪Multichannelanalyzer,MCA）进行脉冲高度统计分析，得到脉冲光的自关联函数。在脉冲激光源强度稳定的情况下，使用这种开始-停止技术得到的自关联函数曲线就反映了探测器的后脉冲概率分布。Li0 下图一实验装置图0pticalshielded-SP

5、CM2具体的实验装置如图 1 所示。脉冲半导体械毋 FPicoQuant,PDL800）发出的光脉冲经过可调光衰减片衰减至每一脉冲的平均光子数为 0.125 后，通过透镜聚焦，进入单光子计数模块PerkinElmer,SPCM-AQR-15,SPCM1）。SPCM1 输出的电脉冲使用两根相同长度的电缆分别连接到 TACOrtec,Model567）的开始端和停止端。经时幅转化产生的不同幅度的电脉冲输入 MCAOrtec,Trump-Pci-2k）进行脉冲高度分析。统计测量结果使用电脑采集和处理。实验中还使用了另一个相同型号的单光子探测器SPCM2）,将它的暗计数信号连接到 TAC 的停止端，替

6、换 SPCM1 的输出信号，测量两个探测器之间的关联函数曲线，测量结果可用于分析暗计数对于自关联函数曲线的影响。SPCM1 和SPCM2 置于光屏蔽装置中，用于避免环境光对于测量结果的影响。脉冲半导体脉冲激光器输出光脉冲的频率为 750kHz,脉冲宽度为 55ps,输出激光的波长为 635nm空气中）。SPCM 的波长响应范围为 4001000nm,对于 635nm 的光其光子探测效率约为 70%,探头有效直径为 0.17mm,死时间为 50ns,平均暗计数率为 47Hz,输出 TTL 电脉冲宽度为 30ns,允许的最大计数值为 15MHz。SPCM1和 SPCM2 通过热电致冷而保证很低的暗

7、计数率，通过温度控制而避免环境温度变化对于探测器增益的影响。TAC 的可测量时间范围为 10ns2ms。TAC 输出的电脉冲信号幅度为 070V。使用两根相同长度的电缆将探测器的输出信号连接到 TAC,保证了自相关函数曲线测量中 TAC 的开始端和停止端的同步，避免了自关联函数曲线的平移修正。TAC 允许的最小输出脉冲为 0.05V,因此与开始端 TTL 脉冲的时间间隔小于 5%oTAC 量程内到来的停止端 TTL 信号将无法引起 TAC 的响应，这段时间又称为 TAC 的死时间。受 TAC 死时间的影响，当一个 TTL 脉冲触发 TAC 的开始端后，它将不可能再同时触发 TAC 的停止端，只

8、有与其相邻的下一个脉冲才可能触发 TAC 的停止端。TAC 输出的脉冲反映了单光子探测器相邻两输出脉冲的时间间隔。MCA 的最大分辨率为 2048 通道，死时间为 8 肉。实验中测得的脉冲激光的自关联函数曲线以及相应的暗计数的测量如图 2 所示。TAC 的量程为 2 肉，MCA 的分辨率为 2048 通道，相应的采样时间为 1.04ns。图二a）显示的是脉冲激光的自关联函数曲线；b）显示的是相同采样时间得到的脉冲激光与探测器暗计数的关联函数曲线。t=0 的时刻对应于前一雪崩脉冲的位置。,3nsFWHM2/6-20nsFW(10-4)M0k1k001011nTcnMFnwrmp&Focn

9、ruafo0k1k001011nTcnMFnwrmp&Focnruafo100m图二脉冲激光的自关联函数曲线以及相应的暗计数由图二a）可知，自关联函数曲线在前一雪崩脉冲后的一段时间内出现的次数为 0。这段零计数时间大于 TAC 的死时间，因此它受到的是 SPCM 死时间的影响。在 SPCM 死时间内，探测器的工作电压低于雪崩电压，不可能产生后脉冲及暗计数。从图中可以很容易的得到单光子探测器的死时间约为 50ns。在死时间结束后，自关联函数曲线上出现了一个很尖锐的峰A 峰）。A 峰持续很短时间约 3ns）后，曲线开始缓慢的下降。图像表明，单光子探测器在死时间结束后的 3ns 时间内会释放

10、出大量的后脉冲。在 t1200ns 后，自关联函数曲线已基本接近暗计数曲线图二 b）,后脉冲出现的概率已经远小于 SPCM 的暗计数率，暗计数成为光子计数测量中的主要噪声。后脉冲主要存在于探测器死时间后几百纳秒的时间内。为了减小后脉冲对于光子测量的影响，必须选择尽可能窄的同步门控信号。自关联函数曲线在 t=1340ns 的地方出现了曲线的最高峰1400ns 的地方，仍然会测量到后脉冲或暗计数事件，这是由于脉冲光的平均光子数远小于 1,后脉冲或暗计数仍然有可能触发TAC 的停止事件。依据 B 峰的面积以及入射到探测器的平均光子数，可以对自关联函数曲线进行归一化处理，得到的概率曲线即为单个雪崩脉冲

11、引起后脉冲的概率，结果如图三所示图三后脉冲概率曲线及拟合曲线Fig.3Probabilitycurveofafterpulseandcorrespondingfittingcurve图三中使用“+”标记的为经过归一化处理后的实验数据，实线是利用公式.23832.陈成杰，徐正卜.光电倍增管M.北京：原子能出版社.19873. S.Cova,M.Ghioni,A.Lacaita,C.Samori,andF.Zappa.AvalanchePhotodiodesandQuenchingCircuitsforSingle-photonDetection.1996.APPL.OPT.35.1956.4.

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