第八章 光电检测

1、第八章第八章 光电检测技术的典型应用光电检测技术的典型应用 锁相放大器锁相放大器 取样积分器取样积分器 光子计数器光子计数器8.1 微弱信号检测技术8.2光电开关和光电转速计 8-1 8-1 引言引言在自然现象和规律的科学研究和工程实践中在自然现象和规律的科学研究和工程实践中, , 经常会遇到需要检测经常会遇到需要检测微弱信号微弱信号的问题的问题, , 比如比如: : 测定地震的波形和波速；测定地震的波形和波速； 材料分析时测量荧光光强；材料分析时测量荧光光强； 卫星信号的接收；卫星信号的接收； 红外探测；红外探测； 生物电信号测量生物电信号测量 信号的微弱是相对的信号的微弱是相对的 一个人有

2、一个人有1米米7高高喜欢到小朋友中间，鹤喜欢到小朋友中间，鹤立鸡群，容易被看到立鸡群，容易被看到来到来到NBA球队，太渺小，球队，太渺小，被被淹没淹没了了微弱信号检测是一门新兴的技术学科，它利用电子学、信息论和物理学的方法，分析噪声产生的原因和规律，研究被测信号的特点和相关性，检测被噪声淹没的微弱信号。弱信号的含义：绝对意义：信号本身非常弱，幅度值极小-放大。相对意义：相对于噪声而言，信号极其微弱，被噪声淹没，也就是说信噪比极低提高信噪比；单纯的幅度小而信噪比不是很低的信号称之为小信号。弱信号检测的任务：在有效抑制信噪比的条件下放大弱信号的幅度，其中抑制噪声，提高信噪比极为关键。噪声与干扰的定

3、义 噪声：通常把由于材料或器件（内部电路器件）的物理原因产生的扰动称为噪声，频谱分布一般比较宽；干扰：把来自外部（人为或者自然）的扰动称为干扰，往往有一定的规律性和途径，可以减少或消除。 广义噪声：就是扰乱或者干扰有用信号的某种不期望有的扰动。噪声虽然无用，虽然讨厌，但是它时刻不在，既然躲不过，那么回避不如勇敢面对微弱检测信号的原理压缩检测通道带宽：噪声在时间和幅度变化上都是随机发生的，分布在很宽的频谱范围。信号所占的频带比较集中，信号的频谱分布和噪声的频谱分布大部分不重叠，不同步。噪声是随机白噪声时，检测通道输出的噪声正比于频带宽的平方根，只要压缩的带宽不影响信号输出就能大幅度降低噪声。取样

4、平均处理：信号的增加取决于取样总数，随机噪声的增加却仅由取样数的平方根决定。可以改善信噪比。常用的微弱光信号检测方式：锁相放大器、取样积分器、光子计数器。测量技术的分类测量技术的分类非相关测量非相关测量普通的电压表，示波器，频率计等优点优点：使用方便，用途广泛相关测量相关测量锁相放大器，取样积分器，光子计数器,数字滤波器等优点优点：抗干扰能力强，工作稳定，灵敏度高锁相放大器概述锁相放大器概述p 锁相放大器解决如何在很强的外部干扰环境中检测弱信号。p 具有十分窄小信号和噪声带宽，信噪比可低达1010-5。 p 在弱信号探测仪器中锁相放大器是一个非常重要的品种。p 锁相放大器属于利用互相关原理设计

5、的一种同步相干检测仪，是对被测信号和参考信号进行相关运算的电子设备。利用参考信号与被测信号的互相关特性，提取出与参考信号同频率和同相位的被测信号。8-2 8-2 锁相放大器锁相放大器n 用调制器将直流或渐变信号调制，进行交流放大，可以避免噪声的不利影响；n 利用相敏检测器实现对调制信号的解调，同时检测频率和相位，噪声与信号同频又同相的概率很小；n 利用低通滤波器来抑制噪声，低通滤波器的频带可以做的较窄，而且其频带宽度不受调制频率的影响，稳定性也大大地提高。锁相放大器有三个特点锁相放大器的工作原理锁相放大器的工作原理p 1962年第一台仪器问世。据统计，已在几年第一台仪器问世。据统计，已在几百种

6、场合中得到应用。在弱信号探测仪器百种场合中得到应用。在弱信号探测仪器中锁相放大器是一个非常重要的品种。中锁相放大器是一个非常重要的品种。p 信噪比可低达信噪比可低达10-5。BW=0.0004Hz（相当（相当于于Q值值=108）。）。典型锁相放大器原理锁相放大器的组成方框图锁相放大器的组成方框图p 主要包括三个部分：信号通道，参考通道和相敏检波p 信号通道对混有噪声的初始信号进行选频放大，对噪声作初步的窄带滤波p 参考通道通过锁相和移相提供一个与被测信号同频，同相的参考电压。p 相敏检波由混频乘法器和低通滤波器组成。典型锁相放大器原理 设乘法器的输入信号为Vs和Vr：0cosssmVVt0co

7、srrmVVt则输出信号为：001cos2cos2srsmrmVVVV Vtt通过输入信号和参考信号的相关运算，输出信号的频谱由0变换到差频与和频20的频段上。和频信号分量被低通滤波器滤除，可以利用低通滤波器得到窄带的差频信号。01cos2smrmVV Vt上式表明在输出信号中只是那些与参考信号电压同频率的分量才使差频信号为零，此时输出信号为直流信号，它的幅值取决于输入信号幅值并与参考信号和输入信号相位差有关，即：01cos2smrmVV V当0时， ，/2时， V0 0012smrmVV Vp 也就是说，在输入信号中，只有被测信号本身和参考信号有同频锁相关系而得到最大直流输出，其他噪声信号或

8、者由于频率不同，造成0的交流分量，被后接的低通滤波器滤除，或者由于相位不同而被相敏检波器截止。p 那些与参考分量同频同相的噪声分量也能够输出直流分量，但它们只占白噪声的极小部分。p 所以锁相放大器能以极高的信噪比由噪声中提取出有用信号锁相放大技术的四个基本环节： 通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内。检测系统变成交流系统； 在调制频率上对有用信号进行选频放大； 在相敏检波中对信号解调。同步解调作用截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内； 通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。3、特点：p 要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光信号的检测；p 极窄

9、带高增益放大器，增益可达1011，带宽窄到0.0004Hz；p 交流直流信号变换器；p 可以补偿光检测中的背景辐射噪声前置放大器的固有噪声。信噪比改善可达1000倍。19208-3 8-3 取样积分器取样积分器1. 锁相放大器的局限性（1）只能用正弦波、方波，对于宽带任意波形的信号无能为力。（2）锁相放大器实质是滤波器，靠降低等效噪声带宽来抑噪。但在强干扰噪声背景下，宽带信号的检测用压缩带宽的办法效果不明显。一一.概述概述2. 解决途径 取样积分器（Boxcar积分器）将待测的周期信号逐点多次取样并进行同步积累。将时间变化的模拟量转变为对时间变化的离散量的集合，这种集合即为信号的低频复制。利用

10、它可以解决在强噪声背景下任意形状的宽带周期信号的检测和波形再现问题。p 首先，微弱周期信号的周期是已知的，p 这种信号一般是在主动测量中，源发出的周期性信号与被测物体作用后产生的，p 被检测的微弱信号的周期和源发出的周期性信号的周期存在一定的关系，或者相等，或者存在某种函数关系。 取样积分法工作的前提:p 如果我们能够很准确地对准周期信号的某一如果我们能够很准确地对准周期信号的某一点（如图），在每个周期的这一时刻，都对信点（如图），在每个周期的这一时刻，都对信号进行取样，并把取样值保存在积分器中；号进行取样，并把取样值保存在积分器中；p 经过次取样后，信号得到了增强，而噪声经过次取样后，信号得

11、到了增强，而噪声由于随机性，相互抵消了一部分所以信号在噪由于随机性，相互抵消了一部分所以信号在噪声中显现出来。声中显现出来。p 如果对周期信号的每一点都这样处理，那就如果对周期信号的每一点都这样处理，那就有可能将被噪声淹没的信号恢复波形。有可能将被噪声淹没的信号恢复波形。 1、取样积分器的工作原理、取样积分器的工作原理 取样点的值，应是信号和噪声的和，我们以信号和噪声功取样点的值，应是信号和噪声的和，我们以信号和噪声功率平均值来看积分前后信噪比的变化。若输入信号为率平均值来看积分前后信噪比的变化。若输入信号为Vsi，经，经过积分器过积分器M次积累后所得到的输出电压为次积累后所得到的输出电压为1

12、mssisiiVVmV输出信号品均功率为：输出信号品均功率为：2ssiPV二二. 取样积分器的工作原理和分类取样积分器的工作原理和分类 噪声电压是随机量噪声电压是随机量Vni ，经过，经过m次积累以后，相加所得值次积累以后，相加所得值Vn仍为随机变量仍为随机变量111mnnisiiVVVmm 当噪声的分布是正态分布时，数学期望值为当噪声的分布是正态分布时，数学期望值为0，方差等于噪声，方差等于噪声平均功率平均功率Pni ，所以输出电压，所以输出电压Vn也是正态分布的随机变量，其也是正态分布的随机变量，其数学期望：数学期望：2211()()()mninnnnniiPPD VE VE VD Vmm

13、11()()0mnniiE VE Vm功率信噪比：功率信噪比：22/ssisinmniPVVmPPmPssinniVVmVV通过累积以后功率信噪比为：通过累积以后功率信噪比为：信号噪声幅值比（信号噪声幅值比（ (SNIR) ）为：）为：结论：结论：1）、经过）、经过m次积累以后，功率信噪比可以提高次积累以后，功率信噪比可以提高m倍，信号倍，信号噪声幅值比提高了噪声幅值比提高了 倍。倍。m2）、取样点数越多，测量次数越多，信噪比改善越明显，信）、取样点数越多，测量次数越多，信噪比改善越明显，信号恢复越精确，但需要品均积累的时间也越长。号恢复越精确，但需要品均积累的时间也越长。3）、微弱信号检测的

14、灵敏度是以）、微弱信号检测的灵敏度是以牺牲时间牺牲时间为代价的。为代价的。Boxcar工作原理工作原理上面讲的这种取样积分法，只能恢复周期性信号某一点的上面讲的这种取样积分法，只能恢复周期性信号某一点的幅值，故称为定点取样工作模式。幅值，故称为定点取样工作模式。周期信号波形的恢复必须在定点取样积分器的基础上，对周期信号波形的恢复必须在定点取样积分器的基础上，对周期信号的一周期内的各点进行扫描，把周期信号每一点的周期信号的一周期内的各点进行扫描，把周期信号每一点的幅值都恢复出来，这就必须采取扫描工作方式。幅值都恢复出来，这就必须采取扫描工作方式。取样积分器分类：取样积分器分类：扫描取样积分器扫描

15、取样积分器3. 多点信号平均器多点信号平均器 前面已经说明，扫描取样积分器在信号重复出现的一个周期内只对信号取样一次。因此要取出信号一个周期内的完整波形需要nT的时间。因此，取样积分器在时间上的利用率是很低的。 为了缩短恢复波形所需要的时间，可以使用多个取样积分器，在每个信号重复周期内对信号逐次多点取样。在有效的观察时间内，信号每重复一次，各取样积分器上存储的信号电压就进行一次累加，多次累加的结果，使信噪比得到改善; 多点信号平均器就是这样一种实时取样系统，它等效于大量单点取样积分器在不同延时的情况下并联使用。 多点信号平均器对于恢复被噪声淹没的重复信号多点信号平均器对于恢复被噪声淹没的重复信

16、号是一个强有力的工具，由于是一个强有力的工具，由于Boxcar是单点步进多是单点步进多次取样平均，因此需要测量时间很长。次取样平均，因此需要测量时间很长。 而多点信号平均器则是在信号的一个周期内对信而多点信号平均器则是在信号的一个周期内对信号多点取样，号多点取样，在获得同样在获得同样SNIR的情况下多点信号的情况下多点信号平均器所需时间只是单点平均器测一点的平均时平均器所需时间只是单点平均器测一点的平均时间。间。所以可节省测量时间。所以可节省测量时间。 多点信号平均器是多点信号平均器是实时取样实时取样，不会使被恢复的弱，不会使被恢复的弱信号变形（拉长），这是信号变形（拉长），这是Boxcar所

17、不能比拟的。所不能比拟的。 多点信号平均器有模拟式和数字式两种多点信号平均器有模拟式和数字式两种: 模拟式多点平均器的存贮器是电容，模拟式多点平均器的存贮器是电容， 数字式多点平均器的存贮器是半导体存贮器，模拟数字式多点平均器的存贮器是半导体存贮器，模拟式多点信号平均器原理框图如图所示：式多点信号平均器原理框图如图所示：EG&G Princeton Applied Research Model 162 Boxcar AveragerEG&G Princeton Applied Research Model 4100 Boxcar AveragerSRS Boxcar8-4 8-

18、4 光子计数光子计数一、单光子计数技术概述一、单光子计数技术概述p 光子计数器是利用光电倍增管能检测单个光子能量的功能，通过光电子计数的方法测量极微弱光脉冲信号的装置。p 当可见光的辐射功率低于-12，即光子速率限制在10/s以下时，光电倍增管光电阴极发射出的光电子就不再是连续的。因此，在倍增管的输出端会产生有光电子形式的离散的信号脉冲。p 可借助电子计数的方法检测到入射光子数，实现极弱光强或通量的测量。单光子探测技术的应用领域： 高分辨率的光谱测量、 非破坏性物质分析、 高速现象检测、 精密分析、大气测污、 生物发光、放射探测、 高能物理、天文测光、光时域反射、 量子密钥分发系统等。由于单光

19、子探测器在高技术领域的重要地位，已经成为各国光电子学界重点研究的课题之一 单光子探测技术和模拟检测技术相比有如下优点： 测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以 及其它不稳定因素的影响较小； 消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高 了测量结果的信噪比； 有比较宽的线性动态区； 输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字 数据处理。 单光子计数器的组成单光子计数器的组成 单光子计数器由光电倍增管（单光子计数器由光电倍增管（PMT），前置放大器，），前置放大器，幅度鉴别器和计数器构成。幅度鉴别器和计数器构成。 高压电源是使高压电源是使PMT正常工作；正常工作； PMT必须配备制冷器以减少阴极

20、的热电子发射。必须配备制冷器以减少阴极的热电子发射。 系统工作原理系统工作原理PMT阴极接受光辐射，进行光电转换后，再经过打拿极放大，输出至阳极。阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出，经过放大器信号放大后送到鉴别器，鉴别器通过设置第一鉴别电平和第二鉴别电平来减少暗电流和干扰，计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。 目前人们对单光子探测器将主要从两个方面去研究， 一方面，研制和开发有高灵敏度新型结构的光探测器， 另一方面，研究和改进探测器的外围控制驱动技术，利用现有的探测器进行单光子探测。 光子成像技术光子成像技术 下面以光电倍增管为例，介绍光子计数器下面以光电倍增管为例，介绍光子计数器的原理与方法

21、。的原理与方法。二、二、光子计数器中的光电倍增管光子计数器中的光电倍增管 光电倍增管是光子计数器的核心部件，它将接收到的光子转变为电脉冲信号，光电倍增管正常工作，必须配备高压电源。为了降低噪声，还配备致冷器并不是所有的光电倍增管都适于制作光子计数器。 对用于光子计数器的光电倍增管有一些特殊的要求。 1 光电倍增管的工作原理光电倍增管的工作原理 光电倍增管是利用外光电效应把入射光子转变为光电信号的探测器。 光电倍增管的结构示意图:D1 D3 D5 D7 D 9 D2 D4 D6 D8 D10 K是光电阴极，是光电阴极，D是聚焦极，是聚焦极，D1D10为倍增极（打拿极），为倍增极（打拿极），A为阳

22、极为阳极 光电倍增管原理：外光电效应和二次电子发射效应光电倍增管原理：外光电效应和二次电子发射效应K A 2 倍增极结构与渡越时间倍增极结构与渡越时间 渡越时间渡越时间: 从光电阴极K接受一个光子开始，到阳极收集到D10发射的二次电子为止所需的时间为。 渡越时间离散性：渡越时间离散性： 只是一个平均值。从D1发射二次电子，到D10发射二次电子，各极二次电子飞越的轨道不可能完全一致，渡越时间也就不可能完全相等，因此，阳极从收集到第一个电子和最后一个电子的时间是不同的，这个时间差，就称为渡越时间离散，记为。 渡越时间离散和渡越时间都和光电倍增管的结构有关。 要求：渡越时间短，渡越时间离散小。要求：

23、渡越时间短，渡越时间离散小。 直列聚焦式光电倍增管的结构如图所示。它的倍增极的形状具有特定的弧形，它的这种弧形结构可形成一个聚焦电场，使前级的二次发射电子能准确地射到本倍增极的中央。 另外，还采取了一些附加措施，用以抑制空间电荷效应，因此这种结构的光电倍增管其渡越时间离散很小，渡越时间也较小。 若将其光阴极也制成曲面形状，则这种管子最为适宜作光子计数器使用。 聚焦电极聚焦电极KA 光子计数器是测量弱光的仪器，如果被检测光束光子速率过大，则光电倍增管不能分辨，无法计数。 因此光子计数器只能对一定光子速率以下的光子束进行计数测量。三、光子计数器测量弱光的极限三、光子计数器测量弱光的极限 这个速率由

24、光电倍增管的渡越时间离散决定。 光电倍增管的渡越时间离散为1020ns，因此输出电流脉冲的半宽度tw亦为1020ns。 假定光电倍增管后续的放大器有足够的带宽，鉴别器和脉冲计数器都有足够高的速率的理想情况下，为了分辨每个光电脉冲，光子速率最大值为： 个光子/秒8max101011nstRw 以发光二极管发射的560nm波长的黄绿光计算，其光功率为 ： （瓦） 实际上光子计数器可以测量计数的弱光的光强要远低于这个数值，约在10-14瓦以下。有的甚至达到 10-18W。 单光子的能量： 对于波长=600nm的桔红色光，每个光子的能量约为： mmmRchRhvP111018.1mPhchEpJ191

25、03 . 3 用光子计数器对波长为560nm的弱光进行探测时，在示波器上显示的光电倍增管输出波形如图所示。 光功率为10-13瓦时，已看不到清晰的脉冲说明光电管倍增管已来不及分辨单个光子了。 （a） 光强光强10-13瓦光电速率脉冲及噪声瓦光电速率脉冲及噪声 （b） 光强光强10-14瓦光电速率脉冲及噪声瓦光电速率脉冲及噪声 （c） 光强光强10-15瓦光电速率脉冲及噪声瓦光电速率脉冲及噪声 （c） 光强光强10-16瓦光电速率脉冲及噪声瓦光电速率脉冲及噪声 光子速率光子速率R（光子数（光子数/秒）秒）和光束功率和光束功率P之间的对之间的对应数值关系及适应的检测方法如下表应数值关系及适应的检测

26、方法如下表: : 光子计数器只能测量微弱光和超微弱光的功率，光子计数器只能测量微弱光和超微弱光的功率，不能测量功率大于不能测量功率大于1010-10-10W的光功率，的光功率，即不能测量含有多光子的光脉冲功率。即不能测量含有多光子的光脉冲功率。 锁定放大锁定放大单光子检测技术和模拟检测技术相比有如下优点：u 测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它不稳定因素的影响较小；u 消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量结果的信噪比；u 有比较宽的线性动态区；u 输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字数据处理。 四、四、单光子计数的光电器件单光子计数的光电器件可用来作为单光子计数的

27、光电器件有许多种，u 光电倍增管（光电倍增管（PMT） u 雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APD） u 增强型光电二极管（增强型光电二极管（IPD） u 微通道板（微通道板（MCP） u 微球板（微球板（MSP）u 真空光电二极管（真空光电二极管（VAPD）五、单光子探测器的现状及其发展五、单光子探测器的现状及其发展 对于可见光探测，光电倍增管有很好的响应度，暗电流也非常小，很早就用于单光子计数，现在技术已经比较成熟，市场上也有了不少类似的产品。 随着人们对红外光研究的不断深入，特别是近年来量子通信技术、量子密码术的研究不断引起各国的重视，对红外通信波段（850nm、1310nm和1550n

28、m）单光子探测器的研究尤为迫切。 光电倍增管却显得无能为力，即使是最好的红外光阴极-Si阴极，光谱响应到1050nm就已经截止了，仅这一点就排除了光电倍增管在红外通信波段的应用。 在850nm波段，考虑到光电倍增管工作电压很高和使用维护的复杂程度，在实际应用中人们还是选用Si-APD雪崩光电二极管。 现在对Si的研究已经趋于成熟，Si-APD也已经有了比较好的制造工艺。国外已经有公司开发出了专门针对850nm单光子探测的商用Si-APD。 在1310nm和1550nm波段， Si-APD已经不能用于进行单光子探测了，一般选用InGaAs-APD，但由于制造工艺的问题，目前还没有专门针对单光子探

29、测的商用InGaAs-APD。目前对这两个波段的单光子探测一般都是关于利用现有针对光纤通信的商用APD，通过优化外围驱动电路，改善工作环境，使其达到单光子探测的目的。目前对单光子探测器将主要从两个方面去研究 一方面，研制和开发有高灵敏度新型结构的光探测器； 另一方面，研究和改进探测器的外围控制驱动技术，利用现有的探测器进行单光子探测。 本章结束本章结束第五章第五章 光子计数技术光子计数技术 5.1 光电倍增管光电倍增管 5.2 光电倍增管的偏置电路与接地方式光电倍增管的偏置电路与接地方式 5.3 光子计数器中的放大器光子计数器中的放大器 5.4 光子计数器测量弱光的上限光子计数器测量弱光的上限

30、 5.5 光子计数器中的鉴别器光子计数器中的鉴别器 5.6 光电倍增管的单光子响应峰光电倍增管的单光子响应峰 5.7 光电倍增管的计数坪区光电倍增管的计数坪区最佳偏压的选择最佳偏压的选择5.8 光子计数器的测量误差分析光子计数器的测量误差分析 5.9 光子计数器的测量方法与应用光子计数器的测量方法与应用 5.10 模拟光子计数器模拟光子计数器 单光子探测技术的应用领域： 高分辨率的光谱测量、 非破坏性物质分析、 高速现象检测、 精密分析、大气测污、 生物发光、放射探测、 高能物理、天文测光、光时域反射、 量子密钥分发系统等。由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，已经成为各国光电子学界重点研究

31、的课题之一 单光子探测技术和模拟检测技术相比有如下优点： 测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以 及其它不稳定因素的影响较小； 消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高 了测量结果的信噪比； 有比较宽的线性动态区； 输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字 数据处理。 单光子计数器的组成单光子计数器的组成 单光子计数器由光电倍增管（单光子计数器由光电倍增管（PMT），前置放大器，），前置放大器，幅度鉴别器和计数器构成。幅度鉴别器和计数器构成。 高压电源是使高压电源是使PMT正常工作；正常工作； PMT必须配备制冷器以减少阴极的热电子发射。必须配备制冷器以减少阴极的热电子发射。 系统工作

32、原理系统工作原理PMT阴极接受光辐射，进行光电转换后，再经过打拿极放大，输出至阳极。阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出，经过放大器信号放大后送到鉴别器，鉴别器通过设置第一鉴别电平和第二鉴别电平来减少暗电流和干扰，计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。 目前人们对单光子探测器将主要从两个方面去研究， 一方面，研制和开发有高灵敏度新型结构的光探测器， 另一方面，研究和改进探测器的外围控制驱动技术，利用现有的探测器进行单光子探测。 光子成像技术光子成像技术 下面以光电倍增管为例，介绍光子计数器下面以光电倍增管为例，介绍光子计数器的原理与方法。的原理与方法。5.1 5.1 光子计数器中的光电倍增管光子计

33、数器中的光电倍增管 光电倍增管是光子计数器的核心部件，它将接收到的光子转变为电脉冲信号，光电倍增管正常工作，必须配备高压电源。为了降低噪声，还配备致冷器并不是所有的光电倍增管都适于制作光子计数器。 对用于光子计数器的光电倍增管有一些特殊的要求。 1 光电倍增管的工作原理光电倍增管的工作原理 光电倍增管是利用外光电效应把入射光子转变为光电信号的探测器。 光电倍增管的结构示意图:D1 D3 D5 D7 D 9 D2 D4 D6 D8 D10 K是光电阴极，是光电阴极，D是聚焦极，是聚焦极，D1D10为倍增极（打拿极），为倍增极（打拿极），A为阳极为阳极 光电倍增管原理：外光电效应和二次电子发射效应

34、光电倍增管原理：外光电效应和二次电子发射效应K A 2 倍增极结构与渡越时间倍增极结构与渡越时间 渡越时间渡越时间: 从光电阴极K接受一个光子开始，到阳极收集到D10发射的二次电子为止所需的时间为。 渡越时间离散性：渡越时间离散性： 只是一个平均值。从D1发射二次电子，到D10发射二次电子，各极二次电子飞越的轨道不可能完全一致，渡越时间也就不可能完全相等，因此，阳极从收集到第一个电子和最后一个电子的时间是不同的，这个时间差，就称为渡越时间离散，记为。 渡越时间离散和渡越时间都和光电倍增管的结构有关。 要求：渡越时间短，渡越时间离散小。要求：渡越时间短，渡越时间离散小。 直列聚焦式光电倍增管的结

35、构如图所示。它的倍增极的形状具有特定的弧形，它的这种弧形结构可形成一个聚焦电场，使前级的二次发射电子能准确地射到本倍增极的中央。 另外，还采取了一些附加措施，用以抑制空间电荷效应，因此这种结构的光电倍增管其渡越时间离散很小，渡越时间也较小。 若将其光阴极也制成曲面形状，则这种管子最为适宜作光子计数器使用。 聚焦电极聚焦电极KA3 光电倍增管的增益与二次电子发射系数光电倍增管的增益与二次电子发射系数 由光电阴极与第一倍增极D1之间形成的电流称为阴极电流Ik， 由最后一个倍增极与阳极之间形成的电流是阳极电流Ia。 倍增管的增益G定义为：kaIIG 设某一倍增极的入射电子数为N1， 在N1的激发下，

36、产生的二次电子数为N2，则定义： 为该倍增极的倍增系数。 倍增系数又称为二次电子发射系数， m值一般为36， 与倍增极的材料和工作偏压而定。 新的倍增极材料，m值可达50甚至更高。12NNm 在理想情况下，设阴极和倍增极发射的电子都被阳极所收集，则光电倍增管的增益G和倍增极的二次电子发射系数m之间的关系为: n为倍增极的个数，一般为914， 假设每个倍增极的倍增系数是相等的。若m的取值范围按36计，n按914计，则光电倍增管的增益G可高达7.81010，一般为105108之间。 nmG 光电倍增管吸收一个光子后，在阳极形成一个电流脉冲，则其形状如图（b）所示。图a为电荷累积的时间宽度，定义tw

37、为电流的脉冲宽度， 典型值为1020ns。取光电倍增管的增益G=106，tw=20ns，则可计算出阳极电流脉冲的高度为：4 PMT阳极电流脉冲与输出电压脉冲的计算阳极电流脉冲与输出电压脉冲的计算)(81020106 . 1101091966AtqIwa秒库仑 阳极输出电压脉冲Va的形状与大小，与阳极负载Ra和分布电容Ca有很大的关系。 设计得好的光子计数器，分布电容Ca20pF， 取阳极负载Ra=50，则阳极时间常数RaCa=1ns。 在这种情况下，电压脉冲与电流脉冲形状相同，如图（c）所示。 加大电容将使脉冲变小变宽；加大电阻则将使脉冲变大变宽，均不符合光子计数的要求。 在正常的RaCa情况

38、下，阳极电压的幅度为： 注意，这个数据是以光电倍增管的增益G=106为例计算得出的，不同的光电倍增管，其增益G是不同的，且G与偏置电压有关。 )(4 . 0)(50)(8mVARIVaaa 为了使得光子计数器的光电倍增管正常地工作，获得稳定的增益G并使阳极输出电压有最大的信噪比和窄的脉冲高度，必须设计合理的偏置电路。5.2 光电倍增管的偏置电路与接地方式光电倍增管的偏置电路与接地方式 光电倍增管的偏置电路可用电阻分压器组成。 一般总电压Vak在9002000V之间，由实验确定。 原则：各倍增极电压在80150V之间。 理论分析表明：各倍增极电压的稳定与否将严重地影响光电倍增管增益G的稳定性。1

39、.1.光电倍增管的偏置电路光电倍增管的偏置电路0 2kV 倍增极电流在分压电路中，随着倍增极电流的增大，对分压电阻电流的分流愈大，因而会造成倍增极电压的不稳定，尤其是靠近阳极的最后几个倍增极。 为了减小倍增极电流变化带来的倍增极电压不稳，要求各分压电阻取得适当值以保证流过电阻链的电流IR比最大阳极电流Iamax大得多。 通常要求：IR20Iamax 注意：IR值也不能取得太大，否则分压电阻的功耗增大，分压电阻的功耗过大会使光电倍增管的管壳内温度明显升高，从而增加热电子发射，增加了噪声。 分压电阻值通常在20K1M范围内。 由于最后几级倍增极的瞬时电流很大，会使R9R11上的压降产生明显的跳变，

40、导致倍增极电压不稳。 在最后三级电阻上并联稳压电容C2、C2和C3，使电阻链上的分压基本不变。 电容值的大小，可根据稳压要求决定。 通常并联电容值在0.0020.05F之间。 光电倍增管工作时，阳极电压总是高于阴极电压。接地方式有两种。 一种是阴极接地，此时阳极为正高压； 另一种是阳极接地，此时阴极为负高压。2.2.光电倍增管的接地方式光电倍增管的接地方式这两种接地方式各有其优缺点。阴极接地时： 阳极输出必须接一个耐高压的电容器，以便将阳极高压和前置前大器隔离，这个电容器的接入使得输出端RaCa时间常数变大，破坏了输出的高频特性。 只能测量交变的光信号。阳极接地：阳极接地： 优点：可与前置放大

41、器直接耦合。 缺点：噪声比较大。 原因：阴极为负高压，光电倍增管工作时为了安全一般外罩必须接地，这就意味着外罩的壁和光电倍增管内部电极之间有很大的负压，特别是对阳极和靠近阳极的倍增极，由于这个高压，可能在阴极和倍增极与外罩间形成漏电流，这个漏电流流经玻璃时会产生荧光。 如果管壁有荧光，荧光发射的光子将会到达光阴极，产生误计数。 为了克服这个缺点，必须在罩里面加一屏蔽，放在光电倍增管的管壁和外罩内壁之间，此屏蔽经一电阻联到阳极，这样就可不再有漏电流流经光电倍增管的管壁，从而消除了荧光，也消除了荧光带来的误计数。5.3 光子计数器中的放大器光子计数器中的放大器光子计数器中的光电倍增管一般采用阳极接

42、地方式，这样阳极输出电流脉冲可直接耦合到一个低输入阻抗的宽带放大器的输入端。如果阳极脉冲电流幅度为8A，宽度为20ns，前置放大器的输入阻抗为50，则前放输入端电压脉冲幅度为：0.4 mV， 脉冲宽度为：20 ns。 假定该脉冲近似为矩形方波，由信号分析可知，该信号的带宽Bf =50MHz； 如果tw=10ns，则Bf=100MHz。 因此前置放大器的通频带必须大于100MHz。 所以，与光电倍增管阳极输出相连的前置放大器 应是低噪声、高精度的宽带放大器低噪声、高精度的宽带放大器。 光子计数器是测量弱光的仪器，如果被检测光束光子速率过大，则光电倍增管不能分辨，无法计数。 因此光子计数器只能对一

43、定光子速率以下的光子束进行计数测量。5.4 光子计数器测量弱光的极限光子计数器测量弱光的极限 这个速率由光电倍增管的渡越时间离散决定。 光电倍增管的渡越时间离散为1020ns，因此输出电流脉冲的半宽度tw亦为1020ns。 假定光电倍增管后续的放大器有足够的带宽，鉴别器和脉冲计数器都有足够高的速率的理想情况下，为了分辨每个光电脉冲，光子速率最大值为： 个光子/秒8max101011nstRw 以发光二极管发射的560nm波长的黄绿光计算，其光功率为 ： （瓦） 实际上光子计数器可以测量计数的弱光的光强要远低于这个数值，约在10-14瓦以下。有的甚至达到 10-18W。 单光子的能量： 对于波长

44、=600nm的桔红色光，每个光子的能量约为： mmmRchRhvP111018.1mPhchEpJ19103 . 3 用光子计数器对波长为560nm的弱光进行探测时，在示波器上显示的光电倍增管输出波形如图所示。 光功率为10-13瓦时，已看不到清晰的脉冲说明光电管倍增管已来不及分辨单个光子了。 （a） 光强光强10-13瓦光电速率脉冲及噪声瓦光电速率脉冲及噪声 （b） 光强光强10-14瓦光电速率脉冲及噪声瓦光电速率脉冲及噪声 （c） 光强光强10-15瓦光电速率脉冲及噪声瓦光电速率脉冲及噪声 （c） 光强光强10-16瓦光电速率脉冲及噪声瓦光电速率脉冲及噪声 光子速率光子速率R（光子数（光子

45、数/秒）秒）和光束功率和光束功率P之间的对之间的对应数值关系及适应的检测方法如下表应数值关系及适应的检测方法如下表: : 光子计数器只能测量微弱光和超微弱光的功率，光子计数器只能测量微弱光和超微弱光的功率，不能测量功率大于不能测量功率大于1010-10-10W的光功率，的光功率，即不能测量含有多光子的光脉冲功率。即不能测量含有多光子的光脉冲功率。 锁定放大锁定放大 鉴别器的任务： 将由光子产生的脉冲电压选择出来，而将倍增极热电子发射产生的小脉冲去掉。 光阴极的热电子发射产生的暗计数脉冲，由于它和光子产生的脉冲幅度一样，因此鉴别器是无法将它去掉的，这种暗计数只有通过两次测量进行扣除。 在进行高计

46、数率的测量时，存在双光子峰，因此鉴别器还必须对这种脉冲幅度是正常单光子脉冲2倍的双光子脉冲要输出2个脉冲供计数器计数。 5.5 光子计数器中的鉴别器光子计数器中的鉴别器 双阈值鉴别器方框图如图所示: 这种鉴别器由于有二个阈值电平，故可设有三种工作方式。 这种鉴别器由于有二个阀值电平，这种鉴别器由于有二个阀值电平，故可设有三种工作方式故可设有三种工作方式 （1）单电平工作方式）单电平工作方式（2 2）窗口工作方式）窗口工作方式 （3 3）校正工作方式）校正工作方式 第一鉴别电平和第二鉴别电平值，由PMT的脉冲高度分布脉冲高度分布（PHD）曲线决定5.6 5.6 光电倍增管的单光子响应峰光电倍增管

47、的单光子响应峰 可以通过实验来获得光电倍增管的脉冲高可以通过实验来获得光电倍增管的脉冲高度分布曲线。度分布曲线。 下图为测量光电倍增管的脉冲高度分布曲下图为测量光电倍增管的脉冲高度分布曲线的原理框图。线的原理框图。 典型的PHD曲线 窗口比较器有两个比较电平窗口比较器有两个比较电平VH和和VL。VH为上限电平，为上限电平，VL为下为下限电平，当输入脉冲高度限电平，当输入脉冲高度Vi在在VH和和VL之间时，即之间时，即VHViVL，窗口比较器输出一个计数脉冲，窗口比较器输出一个计数脉冲，供计数器计数。选定不同的窄供计数器计数。选定不同的窄窗口，对确定的时间间隔进行窗口，对确定的时间间隔进行计数，

48、即可作出光电倍增管的计数，即可作出光电倍增管的PHD曲线。曲线。为了分析和比较的需要，给出为了分析和比较的需要，给出峰谷比和分辨率的定义如下：峰谷比和分辨率的定义如下： VPEE谷占输出脉冲幅度度单光子峰的输出脉冲幅峰谷比PEE单光子峰的脉冲幅度单光子峰的半宽度分辨率 光子计数器中使用的光电倍增管除了要达到前述的有关特性和要求之外，还应该有明显的单光子响应峰。 峰谷比越大峰谷比越大或分辨率越小分辨率越小的光电倍增管越适合于光子计数器使用。 在低计数率的弱光下不存在明显的双光子峰。 5.7 5.7 光电倍增管的计数坪区光电倍增管的计数坪区 最佳偏压的选择最佳偏压的选择 对同一个光电倍增管测量它的

49、计数率和阳极与阴极高压之间的关系时，发现当高压增加时，计数率增加。 随着高压的增加，计数率逐渐出现一个变化缓慢的坪区。将光电倍增管置于完全黑暗状态测量其暗计数，则发现暗计数与高压的关系不存在坪区，暗计数是随高压增加而不断增加PMT的计数坪区 为了获得最大信噪比，阳极对阴极的高压应选择为ua1即计数率开始进入坪区时的高压，这是最佳偏置电压。 小的暗计数适合于光子计数器使用。单光子探测技术的应用领域： 高分辨率的光谱测量、 非破坏性物质分析、 高速现象检测、 精密分析、大气测污、 生物发光、放射探测、 高能物理、天文测光、光时域反射、 量子密钥分发系统等。由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，已

50、经成为各国光电子学界重点研究的课题之一 单光子探测技术和模拟检测技术相比有如下优点： 测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以 及其它不稳定因素的影响较小； 消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高 了测量结果的信噪比； 有比较宽的线性动态区； 输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字 数据处理。 单光子计数器的组成单光子计数器的组成 单光子计数器由光电倍增管（单光子计数器由光电倍增管（PMT），前置放大器，），前置放大器，幅度鉴别器和计数器构成。幅度鉴别器和计数器构成。 高压电源是使高压电源是使PMT正常工作；正常工作； PMT必须配备制冷器以减少阴极的热电子发射。必须配备制冷器以减少

51、阴极的热电子发射。 系统工作原理系统工作原理PMT阴极接受光辐射，进行光电转换后，再经过打拿极放大，输出至阳极。阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出，经过放大器信号放大后送到鉴别器，鉴别器通过设置第一鉴别电平和第二鉴别电平来减少暗电流和干扰，计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。 目前人们对单光子探测器将主要从两个方面去研究， 一方面，研制和开发有高灵敏度新型结构的光探测器， 另一方面，研究和改进探测器的外围控制驱动技术，利用现有的探测器进行单光子探测。 光子成像技术光子成像技术 下面以光电倍增管为例，介绍光子计数器下面以光电倍增管为例，介绍光子计数器的原理与方法。的原理与方法。5.1 5.1 光

52、子计数器中的光电倍增管光子计数器中的光电倍增管 光电倍增管是光子计数器的核心部件，它将接收到的光子转变为电脉冲信号，光电倍增管正常工作，必须配备高压电源。为了降低噪声，还配备致冷器并不是所有的光电倍增管都适于制作光子计数器。 对用于光子计数器的光电倍增管有一些特殊的要求。 1 光电倍增管的工作原理光电倍增管的工作原理 光电倍增管是利用外光电效应把入射光子转变为光电信号的探测器。 光电倍增管的结构示意图:D1 D3 D5 D7 D 9 D2 D4 D6 D8 D10 K是光电阴极，是光电阴极，D是聚焦极，是聚焦极，D1D10为倍增极（打拿极），为倍增极（打拿极），A为阳极为阳极 光电倍增管原理：

53、外光电效应和二次电子发射效应光电倍增管原理：外光电效应和二次电子发射效应K A 2 倍增极结构与渡越时间倍增极结构与渡越时间 渡越时间渡越时间: 从光电阴极K接受一个光子开始，到阳极收集到D10发射的二次电子为止所需的时间为。 渡越时间离散性：渡越时间离散性： 只是一个平均值。从D1发射二次电子，到D10发射二次电子，各极二次电子飞越的轨道不可能完全一致，渡越时间也就不可能完全相等，因此，阳极从收集到第一个电子和最后一个电子的时间是不同的，这个时间差，就称为渡越时间离散，记为。 渡越时间离散和渡越时间都和光电倍增管的结构有关。 要求：渡越时间短，渡越时间离散小。要求：渡越时间短，渡越时间离散小

54、。 直列聚焦式光电倍增管的结构如图所示。它的倍增极的形状具有特定的弧形，它的这种弧形结构可形成一个聚焦电场，使前级的二次发射电子能准确地射到本倍增极的中央。 另外，还采取了一些附加措施，用以抑制空间电荷效应，因此这种结构的光电倍增管其渡越时间离散很小，渡越时间也较小。 若将其光阴极也制成曲面形状，则这种管子最为适宜作光子计数器使用。 聚焦电极聚焦电极KA3 光电倍增管的增益与二次电子发射系数光电倍增管的增益与二次电子发射系数 由光电阴极与第一倍增极D1之间形成的电流称为阴极电流Ik， 由最后一个倍增极与阳极之间形成的电流是阳极电流Ia。 倍增管的增益G定义为：kaIIG 设某一倍增极的入射电子

55、数为N1， 在N1的激发下，产生的二次电子数为N2，则定义： 为该倍增极的倍增系数。 倍增系数又称为二次电子发射系数， m值一般为36， 与倍增极的材料和工作偏压而定。 新的倍增极材料，m值可达50甚至更高。12NNm 在理想情况下，设阴极和倍增极发射的电子都被阳极所收集，则光电倍增管的增益G和倍增极的二次电子发射系数m之间的关系为: n为倍增极的个数，一般为914， 假设每个倍增极的倍增系数是相等的。若m的取值范围按36计，n按914计，则光电倍增管的增益G可高达7.81010，一般为105108之间。 nmG 光电倍增管吸收一个光子后，在阳极形成一个电流脉冲，则其形状如图（b）所示。图a为

56、电荷累积的时间宽度，定义tw为电流的脉冲宽度， 典型值为1020ns。取光电倍增管的增益G=106，tw=20ns，则可计算出阳极电流脉冲的高度为：4 PMT阳极电流脉冲与输出电压脉冲的计算阳极电流脉冲与输出电压脉冲的计算)(81020106 . 1101091966AtqIwa秒库仑 阳极输出电压脉冲Va的形状与大小，与阳极负载Ra和分布电容Ca有很大的关系。 设计得好的光子计数器，分布电容Ca20pF， 取阳极负载Ra=50，则阳极时间常数RaCa=1ns。 在这种情况下，电压脉冲与电流脉冲形状相同，如图（c）所示。 加大电容将使脉冲变小变宽；加大电阻则将使脉冲变大变宽，均不符合光子计数的

57、要求。 在正常的RaCa情况下，阳极电压的幅度为： 注意，这个数据是以光电倍增管的增益G=106为例计算得出的，不同的光电倍增管，其增益G是不同的，且G与偏置电压有关。 )(4 . 0)(50)(8mVARIVaaa 为了使得光子计数器的光电倍增管正常地工作，获得稳定的增益G并使阳极输出电压有最大的信噪比和窄的脉冲高度，必须设计合理的偏置电路。5.2 光电倍增管的偏置电路与接地方式光电倍增管的偏置电路与接地方式 光电倍增管的偏置电路可用电阻分压器组成。 一般总电压Vak在9002000V之间，由实验确定。 原则：各倍增极电压在80150V之间。 理论分析表明：各倍增极电压的稳定与否将严重地影响

58、光电倍增管增益G的稳定性。1.1.光电倍增管的偏置电路光电倍增管的偏置电路0 2kV 倍增极电流在分压电路中，随着倍增极电流的增大，对分压电阻电流的分流愈大，因而会造成倍增极电压的不稳定，尤其是靠近阳极的最后几个倍增极。 为了减小倍增极电流变化带来的倍增极电压不稳，要求各分压电阻取得适当值以保证流过电阻链的电流IR比最大阳极电流Iamax大得多。 通常要求：IR20Iamax 注意：IR值也不能取得太大，否则分压电阻的功耗增大，分压电阻的功耗过大会使光电倍增管的管壳内温度明显升高，从而增加热电子发射，增加了噪声。 分压电阻值通常在20K1M范围内。 由于最后几级倍增极的瞬时电流很大，会使R9R

59、11上的压降产生明显的跳变，导致倍增极电压不稳。 在最后三级电阻上并联稳压电容C2、C2和C3，使电阻链上的分压基本不变。 电容值的大小，可根据稳压要求决定。 通常并联电容值在0.0020.05F之间。 光电倍增管工作时，阳极电压总是高于阴极电压。接地方式有两种。 一种是阴极接地，此时阳极为正高压； 另一种是阳极接地，此时阴极为负高压。2.2.光电倍增管的接地方式光电倍增管的接地方式这两种接地方式各有其优缺点。阴极接地时： 阳极输出必须接一个耐高压的电容器，以便将阳极高压和前置前大器隔离，这个电容器的接入使得输出端RaCa时间常数变大，破坏了输出的高频特性。 只能测量交变的光信号。阳极接地：阳

60、极接地： 优点：可与前置放大器直接耦合。 缺点：噪声比较大。 原因：阴极为负高压，光电倍增管工作时为了安全一般外罩必须接地，这就意味着外罩的壁和光电倍增管内部电极之间有很大的负压，特别是对阳极和靠近阳极的倍增极，由于这个高压，可能在阴极和倍增极与外罩间形成漏电流，这个漏电流流经玻璃时会产生荧光。 如果管壁有荧光，荧光发射的光子将会到达光阴极，产生误计数。 为了克服这个缺点，必须在罩里面加一屏蔽，放在光电倍增管的管壁和外罩内壁之间，此屏蔽经一电阻联到阳极，这样就可不再有漏电流流经光电倍增管的管壁，从而消除了荧光，也消除了荧光带来的误计数。5.3 光子计数器中的放大器光子计数器中的放大器光子计数器中的光电倍增管一