实验五 单光子计数实验

实验五单光子计数实验光子计数技术，是检测极微弱光的有利手段。这一技术是通过分辩单光子在检测器（光电倍增管）中激发出来的光电子脉冲，把光信号从热噪声中以数字化的方式提取出来。这种系统具有很好的长时间稳定性和很高的探测灵敏度。目前，光子计数系统广泛应用于科技领域中的极微弱光学现象的研究和某些工业部门中的测试工作。一、实验的目的1、学习光子计数技术原理。2、掌握光子计数系统中主要仪器的基本操作。3、掌握用光子计数系统微弱光信号的方法。二、实验仪器光电倍增管、电脑控制软件、制冷系统、光电信号放大和数据采集系统。三、实验的原理和结构光子.光是由光子组成的光子流，光子是一种没有静止质量，但有能量（动量）的粒子一个频率为v（波长为九）的光子，其能量为E二hv二he/九p式中普朗克常数h=6.6x10-34（j.S）,光速c=3.0x108（m/s）.以波长为九=6.3x10-7m的氦－氖激光为例，一个光子的能量为：仝3.1x10-19(J)厂6.6x仝3.1x10-19(J)E=p6.3x10-7一束单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（光子个数/s）为单位时间内通过某一截面的光子数.如果设法测出入射光子的流量R,就可以计算出相应的入射光功率P.有了一个光子能量的概念，就对微弱光的量级有了明确的认识，例如，对于氦－氖激光器而言，lmw的光功率并不是弱光范畴.因为光功率P=lmw，则PR==3.2x1015光子/sEp所以，lmw的氦一氖激光，每秒有1015量级的光子，从光子计数的角度看，如此大量的光子数是很强的光了.对于光子流量值为1的氦一氖激光，其光功率是3.1x10-19W.当R=1000个光子/s时，则光功率为3.1x10-15W.单光子计数器方法利用弱光下光电倍增管输出电流信号自然离散的特点，采用脉冲高度甄别和数子计数技术将掩没在背景噪声中的弱光信号提取出来。当弱光照射到光阳极时，每个入射光子以一定的概率（即量子效应）使光阴极发射一个电子。这个光电子经倍增系统的倍增最后在阳极回路中形成一个电流脉冲，通过负载电阻形成一个电压脉冲，这个脉冲称为单光子脉冲。除了电子脉冲外，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的分布如下图5-1所示。脉冲的幅度较小的主要是热反射噪声信号，而光阴极发射的电子（包括光电子和光电子）形成

的脉冲的幅度较大，出现“单光子峰”。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。单光子计数器中使用的光电倍增管其光谱响应应适合所用的工作波段，安电流要小（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。放大器的功能是把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大，应有一定增益，上升时间W3ns,即放大器的通频带宽达lOOMz；有较宽的线性动态范围及低噪声，经放大的脉冲信号送至脉冲幅度甄别器。脉冲计数率脉冲计数率Vh（甄别电平）脉冲幅度V图5-l光电倍增管输出脉冲分布单光子计数器器的框图见图5-2整形输出图5-2单光子计数器器的框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5-3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。如果把甄别器电平选在图5-3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。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极数。图5-3甄别器工作示意图（a）放大器输出（b）甄别器的输出四、操作方法软件安装后，从“开始”菜单执行“程序”组的“GSZF-2”组，即可启动GSZF-2控制处理系统。（详看使用说明书）使用五、实验步骤1、连接好电缆及信号线；2、打开电源；（开电源前，请检查不要让强光照射接收器）3、启动软件；4、在暗环境下，作阈值；并打印图形；5、设定参数，（512以上）采集数据后自动寻峰，记录寻峰值作泊松分布图；并打印图形；6、工作结束后，关闭软件；关闭仪器电源。六、思考与讨论1、影响光子计数系统的测