单光子实验系统

1、 单光子计数实验、实验目的：1、观察微弱光的光量子现象；2、研究鉴别电压（阈值）对系统性能的影响，确定最佳鉴别电压（阈值）；3、了解光子计数器的信噪比，测试光子计数器的最低暗计数率和最小可检测光计数率；4、学习用光子计数器测量微弱光信号的原理与技术。二、实验原理和仪器结构2.1原理光子是静止质量为零，有一定能量的粒子。光是由光子组成的，光子的能量和波长（或频率）有关，即：hvhe九对于波长久=600nm的桔红色光，每个光子的能量约为3.3x10-19J。如果用R（CPS）表示表示到达光阴极的光子通量（光子数/秒），则光束功率P和光子通量R之间的关系为P=REP光子通量R和光束功率P之间的对应数

2、值关系及适应的检测方法如下表R(CPS)P(W)检测方法超微弱光103.3X10-18光子计数1023.3X10-171033.3X10-161043.3X10-15微弱光1053.3X10-141063.3X10-13锁相放大1073.3X10-121083.3X10-111093.3X10-10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10-10W的光束功率，不能测量含有多光子的光脉冲功率。光子光电倍增管的工作原理如图1所示。它是一种噪声小、高增益的光电传感器，当弱光照射到光阴极K时，每个入射光子以一定的概率（即量子效率n）使光阴极发射一个电子。这个光电子经倍增系统的倍增最

3、后在阳极（打拿极）回路中形成一个电流脉冲，通过负载电阻R形成一个电压脉冲，这个脉冲称为单光子脉冲，也称为光电子脉冲。如果入射光很弱，入射的光几乎是一个个离散地入射到光阴极上的，则在阳极上得到一系列离散的脉冲信号。即光电倍增管输出的光信号是离散的尖脉冲，这些脉冲的平均计数效率与光子的流量成正比。除光电子脉冲外，还有各倍增极的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子少，因而它在阳极上形成的脉冲幅度较低。此外还有光阴极（一个）的热发射形成的脉冲。噪声脉冲和光电子脉冲的幅度的分布如图4所示。脉冲幅度较小的主要是热反射噪声信号，而光阴极发射的电子（包括光电子和热发射电子）形

4、成的脉冲幅度较大，出现“单光电子峰”。用脉冲幅度甄别器把幅度低于Vh的脉冲抑制掉。只让幅度高于Vh的脉冲通过就能实现单光子计数。在可见光的微弱、超微弱光检测中，目前光电倍增管是唯一适合在光子计数方法中使用的光信号探测器件。光电倍增管响应时间短、灵敏度高，能够输出适合光子计数的离散脉冲信号。采用高频示波器（200MHz以上）可以观察到用光电倍增管接收到的微弱光的输出信号。当光强度较大时，从光电倍增管输出的信号是一直流电平；随着光强度的逐渐减弱，光电倍增管中输出的直流分量愈来愈小，起伏的交流成分愈来愈大，从而成为一系列的脉冲信号。例如：当光强度低到10-1瓦（约1000CPS）时，在1ms的时间间

5、隔内只有几个高脉冲可观察到，有时甚至连一个脉冲也观察不到，光电倍增管输出的便是一个个分立的光电脉冲；当光功率增大时，光脉冲平均速率随之增大，当光功率足够大时，一个个脉冲便会相互重叠，以致连成一片，而具有显著的直流分量了。这个现象是很容易理解的，因为光电倍增管是量子探测器，一个个光子撞击在光阴极上，发射出光电子，经倍增后，在阳极便收集到大量的电子，从而形成一个个脉冲，脉冲宽度一般为3-30ns左右（视光电倍增管的性能）。例如：光子通量R为108/s，光子在空间分布的间隔为3x108一108=1m，时域分布的间隔为l/108=10ns。考虑到光电倍增管的量子效率耳，可由脉冲计数率R（CPS）换算出

6、光子通量R=R/n（CPS）。mm用于光子计数的探测器目前只有光电倍增管适用。由于光子计数有些特别的要求，因而并不是所有的光电倍增管都可以用来作光子计数。作为光子计数用的光电倍增管对于下列性能和参数有特殊的要求：1、脉冲上升时间tr和脉冲响应宽度tw:光电倍增管输出的脉冲振幅V,由经验公式可得V(mv)=4G(106)./t(ns)脉冲上升时间tr是指脉冲幅度从0.1上升到0.9所需的时间，可知tr直接影响脉冲振幅，也影响光子计数的最大计数率即探测光强的上限，并影响测量精度。一般应选光电倍增管的脉冲上升时间小于3ns。脉冲响应宽度t是指幅值为50%（最大值的一半）的两点之间的时间间隔。如果先后

7、到达光阴极的光子之间的时间间隔小于脉冲响应宽度t，就会造成前后产生的光电脉冲重叠，这样相隔很近的光电脉冲将分辨不开，在阳极合成一个脉冲，这种现象称为脉冲堆积效应。例如：光电倍增管的t=10ns，当有一个光子打在光阴极上，在阳极就产生一个t=10ns的光电脉冲；如果在前一个光子到达后不到10ns的时间（比如5ns）又有一个光子打在光阴极上，就又产生一个t=10ns的光电脉冲；这样相隔很近的脉冲在阳极负载上将合成一个脉冲，计数器只记一个数而漏掉一个数，如图2所示。脉冲堆积效应限制了光子计数的最大计数率。如果tw=10ns,最大计数率为108cps。用于光子计数的光电倍增管脉冲响应宽度tw的典型数值

8、为5-20ns，对应的最大光子计数率为2X1085X107。图2脉冲堆积效应示意图。设t=10ns，相邻两个光子的间距小于10ns（比如5ns），产生脉冲堆积效应。2、量子效率n:量子效率表示光电阴极发射光电子的能力。例如：10%的量子效率表示打在光电阴极上10个光子中的一个光子平均将产生一个光电子，而其余的光子将不被检测。量子效率影响光子计数的信噪比和最小可检测的光子数。量子效率是波长的函数，一般光电倍增管的量子效率在5-25%之间，有的高达40%。3、增益G：光子打在光电阴极上产生光电子;这个电子又在100-400V直流电压的作用下被加速打向第一打拿极（Dynode），产生二次电子发射；这

9、些电子又被加速打向第二打拿极；依次类推。一般的光电倍增管至少有10个打拿极，二次电子发射每次提供的电子增益约为4,这样，一个光电子最后产生约4io沁106个电子被阳极收集，增益G为106。如果这些电子在5ns的时间里经过50Q的负载，可近似求出所产生的脉冲幅度为1.6X10-19（库仑）X1065X10-9（秒）X50（欧姆）=1.6（毫伏）增益系数直接影响脉冲振幅，一般应选增益系数G大于5X106。4、暗计数R:d光电倍增管的主要噪声来自光电阴极和最初几个打拿极的热电子发射。光电倍增管阴极的冷却可以有效地降低暗计数（根据理论计算，平均每降低3.3C,暗计数可降低1倍）。不同型号的光电倍增管的

10、暗计数可以相差很大，例如：EMI9659QB型光电倍增管，室温下暗计数率R约为9000cps,用液氮冷却1小时后，暗计数可降至40cps：R2949型光d电倍增管，室温下暗计数率R约为200cps，用半导体冷却器冷却到-20C，暗计数可降d至2-6cps。残留的暗计数可以认为是起因于PMT材料的放射性衰变及宇宙射线。光电倍增管的噪声通常用阳极暗电流来描述，可由阳极暗电流来推算暗计数R:AdR（KHz）6i（nA）G（106）dA暗计数R影响光子计数的信噪比和最小可检测光子数，当然是越小越好。d5、脉冲高度分布（PHD）：光电倍增管暗计数（阴极和打拿极的热电子发射、光反馈、宇宙射线等）的脉冲高度

11、与信号的脉冲高度有如下关系：各级打拿极热电子发射的脉冲高度小于光信号的脉冲高度，其脉冲数很大；光阴极的热电子发射及反馈光子的光电激发产生的脉冲高度等于光信号的脉冲高度，其脉冲数很少；宇宙射线激发输出的脉冲高度大于光信号的脉冲高度，其脉冲数很少。由此，可得光电倍增管输出的噪声、信号及信号加噪声的脉冲高度分布（PHD），如图3所示。图3光电倍增管的脉冲高度分布图适合光子计数用的光电倍增管在脉冲高度分布图上需要具备明显的单光子峰（在增加测量光强时会出现双光子峰），光电倍增管的这种PHD特性是选择其能否作光子计数使用的条件，很多光电倍增管由于不具备明显的单光子峰而不能用于光子计数。光子计数技术中去除噪

12、声的一个重要方法是设置鉴别电压（阈值），将光电倍增管的输出光电脉冲通过一个幅度鉴别器，设置鉴别器阈值为脉冲高度分布曲线中谷底对应的V值，可采取三种方式：单鉴别电压，窗鉴别电压，校正鉴别电压。单鉴别电压：输入脉冲幅度大于V时，可输出脉冲被计数。使得大多数打拿极的热电子发射噪声被排除。窗鉴别电压：输入脉冲幅度大于V/、于v2时，可输出脉冲被计数。使得脉冲高度较低的打拿极热电子发射噪声和脉冲高度较高的宇宙射线辐射噪声被排除。校正鉴别电压：输入脉冲幅度大于V1而小于v2时，输出一个脉冲；输入脉冲幅度大于v2时，输出二个脉冲。可校正因脉冲堆积而造成的漏计数。单光子计数器中使用的光电倍增管其光谱响应应适合

13、所用的工作波段（有紫外、可见光和红外等波段划分），暗电流要小（与无激光输入时对应的计数率即暗计数率相对应），它决定管子的探测灵敏度，相应速度及光阴极稳定。光电倍增管性能的好坏直接关系到光子计数器能否正常工作。单光子计数器的框图见图5。厢射电平）v图4光电倍増管输出脉冲分布整那输图5单光子计数器的継图*在脉冲幅度甄别器里设有一个连续可调的参考电压Vh。如图6所示，当输入脉冲高度低于Vh时，甄别器无输出。只有高于Vh的脉冲，甄别器输出一个标准脉冲。如果把甄别电平选在图4中的谷点对应的脉冲高度上，就能去掉大部分噪声脉冲而只有光电子脉冲通过，从而提高信噪比。脉冲幅度甄别器应甄别电平稳定；灵敏度高；死时

14、间小、建立时间短、脉冲对分辨率小于10ns，以保证不漏计。甄别器输出经过整形的脉冲。图6甄别器工作示意图（a）诙大器输出（b）甄别器输出丿计数器的作用是在规定的测量时间间隔内将甄别器的输出脉冲累加计数。2.2结构光源：用高亮度发光二极管作光源，波长中心500nm，半宽度30nm。为提高入射光的单色性，仪器准有窄带滤光片，其半宽度为18nm。接收器：接收器采用CR125光电倍增管为接收器。实验采用半导体致冷器降低光电倍增管的工作温度，最低温度可达-20C。光路：实验系统的光路如图7所示：S2=480为了减小杂散光的影响和降低背景计数，在光电倍增管前设置了一个光阑筒，内设光阑三片。另外在筒的另一端

15、有用来连接减光片的螺纹接口，教师可根据需要放置减光片、窄带滤光片等。主要本系统备有减光片5组，窄带滤光片一块，参数如下：名称透过率反射率备注窄带滤光片88%中心波长500nmAB22%AB55%AB1010%半透半反镜33%30%为了标定入射到光电倍增管上的光功率P0,本实验先用光功率计测出入射光功率P,并按下式计算P0QAtaK（厶）PQiA窄带滤光片的衰减系数（88%）T减光片的透过率（见上表）a=N（1-2%）,N为光路中镜片反射面数（只计窄带滤光片和减光片的数目，一片计两面），2%为光学元件反射率一般为2-5%，本实验取2%。K半透半反镜的透过率（见上表）式中Q1为功率计接收面积相对于

16、光源中心所张的立体角，Q2为光电倍增管前的光阑面积相对于光源中心所张的立体角。r=3mm1S=1281兀r2Q=22S22r=1.5mm2S=4802Q兀r212824=2-=0.018Q4802兀r2ii接收光功率P0可按下式计算:p=e（R/n）0PPE=hY二he/入PEp为光子在500nm处的能量e=3X108m/s为真空光速h=6.6X10-34J.S为普朗克常数入=500nm（本实验）Ep=4X1-1Jn=0.8（CR125型光电倍增管对500nm波段光子的量计数效率）2.3光子计数器的误差及信噪比泊松统计噪声：用光电倍增管探测热光源发射的光子，光子打到热阴极上的时间间隔是随机的，

17、对于大量粒子的统计而言是服从泊松分布的。其信号的不确定度通常用均方根偏差o来表示，a=JN丽。其中，n是光电倍增管的量子计数效率，R是光子平均流量，即单位时间通过光束截面的光子个数，也称为光子计数率oN=nRt是时间间隔t内光电倍增管的光阴极发射的光电子平均数，称为光子计数。这种不确定度称之为统计噪声，如平均计数N=100，则可能的误差为訐00=10，瞬时计数值为100土10，在90-110之间。统计噪声使得测量信号中固有的信噪比SNR为暗计数：在没有入射光时，光电倍增管的光阴极和各倍增极还有热电子发射，即暗记数（亦称背景计数）。假如以R表示光电倍增管无光照时测得的暗计数率，则按上述结果，噪d

18、声成分增加到：両匸R7，信噪比SNR为SNR二雪=Rt+Rta；R+RTOC o 1-5 h zdd累积信噪比:在相同的时间间隔t内,分别测量背景计数N和总计数N，则信号计数为N,N=Rt,tpN=N-N=nRt,按误差理论，测量结果的信号计数N中的总噪声为ptdpN+N=JuRt+2Rt人tdd则测量结果的信噪比为NSNR=p=JN+NvtdNNtdN+NtdqRyt.R+2R1d由以上噪声分析可见：光子计数器测量的结果的信噪比SNR与测量时间的平方根成正比。所以为提高信噪比，可增加测量时间间隔t。三安装3.1安装场地1USB接口2监测23监测14调零钮5功率计电源开关6壘程变换7功率指示8

19、电流调节9光源开关10电流指示中该仪器是实验用仪器。为了提高仪器的工作质量和延长仪器的使用寿命，在选择仪器安装场地时应注意以下几点：具备暗室条件。环境温度205C相对湿度65%无强振动源、无强电磁场干扰。室内保持清洁、无腐蚀性气体。仪器应放置在坚固的平台上。仪器放置处不可长时间受阳光照射。室内应具稳压电源装置对仪器供电，装有地线，保证仪器接地良好。3.2安装3.2.1安装按照图一将设备摆放好，然后打开外光路2的上盖，将磁力表座及挡光筒放入光路中，目测将中心高调成一致，并根据实验要求将窄带滤光片、衰减滤光片按图9要求装在减光筒上。3.2.2制冷系统的调整3.2.2.1制冷器的面板图减光筒；+j窄

20、带滤光片；心衰减滤光片；亠衰减滤光片；心衰减滤光片；4圉101、放大器控制酝板；屮2、开关；屮乩制邊控制系统后面板屮鼻电源插座屮制避控制电缆插座保险器盒屮图11电源开关心制觀控制系统前面板屮溫度控制表d电流表屮1右、电源指示灯小1-7*ll：心H氓9.i2.2.2.2开机操作:电源线分别插在放大器控制电源插座(7)及制冷控制系统电源插座(9)上。图8的USB接口与计算机上的USB接口相连。将制冷控制电缆分别插在制冷控制电缆插座(10)及王机制冷控制电缆插座上。分别打开电源开关。调节温度控制表的温度控制温度。6待20分钟之后温度达到所需的温度后，可用计算机采集。3.2.3开机前面已经分别叙述了光

21、源、外光路、制冷器的开机及调整方法。这一节主要谈谈整机的开机方法。按照接线图要求将线接好，并反复检查无误。1放大系统和制冷器；22”制冷器电源銭；+3”电源插座；+j4”*剖潯議虽捌；+j联搓水管；心出水管；心亠:-ri左将制冷器开机，等待数分钟达到待测温度后，可以启动软件测量。这里强调一点,即若用户测量不需要制冷时，也就不用开制冷器。3.3软件的安装（参见仪器使用说明书）3.4驱动程序的安装USB接口是计算机和仪器数据交换的通道，在使用应用程序之前要先安装USB接口的驱动程序。安装步骤参见仪器使用说明书。四操作方法软件安装后，从“开始”菜单执行“程序”组中的“GSZF2A”组，即可启动GSZ

22、F-2A控制处理系统。4.1工作界面介绍进入系统后，首先弹出如图13的友好界面，等待用户单击鼠标或键盘上的任意键;当接收到鼠标、键盘事件或等待五秒钟后，马上显示工作界面（如图14）。图13丽1仝博丰8KK900版从0GSZF-2A人年帕I俅朴泮.站佩处刈曲眉脚纫MG加M庇血頼*上皿的；，?VJ-.T57ri图13+J应“寸司莎一低HRo宙耳乱克厂Sa1固昌日曰吕5f=TftftJi!S3B低iJSrB-fflH&3Bft)殆加QpnoSii.打开f?存据通臨胆劇亂当tfrh住SSHWK咅翕、=MfUA)4trip)|jwaia：七-Ian1覆式lFTT母TT十1|*_対曲股na配鮭点h-络止点

23、|l5&弋呂AMVfcoDO二弋卜:1寄存器选择L及光子数显*-申最FfEli曲创十I：|鱼|闵闵冋到R-l圖昵I崗4可坚|也TJtM干可甲nT.1:C1E-Ee3-1Z7ffi图14 图18 工作界面主要由菜单栏、主工具栏、辅工具栏、工作区、状态栏、参数设置区以及寄存器信息提示区等组成。4.1.1菜单栏菜单栏中有“文件”、“信息/视图”、“工作”、“读取数据”、“数据图形处理”、“帮助”等菜单项。单击这些菜单项可弹出下拉菜单，利用这些菜单即可执行软件的大部分命令。下面简单介绍各菜单的功能：“文件”菜单（如图15）新建清除当前实验的所有数据打开打开一个已经存在的数据文件保存把所选寄存器中的数据

24、存入文件打印设置设置打印机的属性及打印参数打印预览显示打印时文件的外观打印打印当前的谱线及数据退出退出GSZF2A控制处理系统“信息/视图”菜单（如图16）米集信息输入米集环境及其它信息新逹（S）Ctrl+N打开Ctrl+O保存Ctrl+S打印（）.打印预览（V）打印设置Ctrl+P退出QD文件电）图15信息/视图采集信息（X）.寄存器信息显示网格（S）加强数据点方式d）数据点方式1图16寄存器信息显示网格加强数据点方式数据点方式显示寄存器详细信息显示网格坐标对数据点进行加强显示只显示数据点3.“工作”菜单（如图17）开始从起始点描到终止点暂停在起始点终止点重复扫描停止停止扫描检测环境在每次改

25、变环境时记录环境4.“读取数据”菜单（如图读取数据读取指定点的数据图17扩展对波长和数值进行扩展取消所有扩展取消本次实验的所有扩展寻峰显示刷新刷新屏幕5.“数据图形处理”菜单（如图19）计算对设置的谱线进行计算数据/图形处理（A）计算（）.平涓平滑平滑选定的谱线改变寄存器颜色（）.改变寄存器线型迅）.改变寄存器颜色改变寄存器颜色改变寄存器线型改变选定的寄存器的线型图19检索峰、谷的位置根据设置显示谱线“帮助”菜单关于GSZF-2显示版本信息4.1.2工具栏软件提供了两个工具栏,每个工具栏由一组工具按钮组成，分别对应某些菜单项或菜单命令的功能，用户只需用鼠标左键单击按钮，即可执行相应的操作或功能

26、。4.1.3工作区工作区是用户绘制、浏览、编辑谱线的区域。工作区可同时显示多条谱线。4.1.4状态栏状态栏用于反映当前的工作状态。另外，当定点设备指向某一菜单项或按钮时，会在状态栏显示相应的功能说明。4.1.5参数设置区参数设置区包含了二个标签：“参数设置”、“数据”。参数设置设置工作模式、工作范围及采样参数数据显示选定的寄存器中的数据4.1.6寄存器信息提示区显示各寄存器的信息。4.1.7寄存器选择及波长显示栏选择当前寄存器，显示当前波长位置。4.1.8快捷键数据（Data）参数设置（Setup）模式|I时间方式ZI数值范围起始点|9终止点屈最大值（35000盘小值|o采样参数时间单位|分5）二采样间隔!100积分时间罚高压打域值沁冷却温度C冋单程扫描ESC停止F2重复扫描Ctrl+Q退出按Alt键可激活菜单栏，再按菜单项中注明的字母可弹出相应的下拉菜单。按菜单中选项旁注明的字母，可执行相应的操作或功能（与WINDOWS标准操作一致）。4.2功能介绍（参见仪器使用说明书）五实验内容及数据处理1、在光路中放入窄带滤光片和减光片，盖上光源仪器盖。2、将冷却水管接在水龙头上并开始通水，打开功率计电源开关和光源开关，调节功率计调零旋钮使功率指示为0旋动电流调节旋钮使光源产生一定功率的光，两分