实验四单光子计数

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1、实验四单光子计数光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于10－14）信号探测中的一种新技术。它可以探测微弱到以单光子到达时的能量。目前已被广泛应用于喇曼散射探测、医学、生物学、物理学等许多领域里微弱光现象的研究。微弱光检测的方法有：锁频放大技术、锁相放大技术和单光子计数方法。最早发展的锁频原理是使放大器中心频率与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制。但这种方法存在中心频率不稳、带宽不能太窄、对待测信号缺乏跟踪能力等缺点。后来发展了锁相放大技术，它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。但是，当噪声与信

2、号有同样频谱时就无能为力，另外它还受模拟积分电路漂移的影响，因此在弱光测量中受到一定的限制。单光子计数方法是利用弱光照射下光电倍增管输出电流信号自然离散化的特征，采用了脉冲高度甄别技术和数字计数技术。与模拟检测技术相比有以下优点：1．测量结果受光电倍增管的漂移、系统增益的变化及其它不稳定因素影响较小。2．基本上消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增级的热发射噪声的影响，提高了测量结果的信噪比。可望达到由光发射的统计涨落性质所限制的信噪比值。3．有比较宽的线性动态范围。4．光子计数输出是数字信号，适合与计算机接口作数字数据处理。因此采用光子计数技术，可以把淹没在背景

3、噪声中的微弱光信息提取出来。目前一般光子计数器的探测灵敏度优于10－17，这是其它探测方法所不能比拟的。【实验目的】1．介绍这种微弱光的检测技术；了解GSZFS-2B实验系统的构成原理。2．了解光子计数的基本原理、基本实验技术和弱光检测中的一些主要问题。3．了解微弱光的概率分布规律。【实验原理】1．光子光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零、有一定能量的粒子，与一定的频率相对应。一个光子的能量可由下式决定：（1）式中=3×108m/s，是真空中的光速；＝6.6×10－34，是普朗克常数。例如,实验中所用的光源波长为＝5000Å的近单色光，则=3.96×10－1

4、9。光流强度常用光功率表示，单位为。单色光的光功率可用下式表示：20（2）式中为光子流量（单位时间内通过某一截面的光子数目），所以，只要能测得光子的流量，就能得到光流强度。如果每秒接收到＝104个光子数，对应的光功率为＝104×3.96×10－19＝3.96×10－15。2．测量弱光时光电倍增管输出信号的特征在可见光的探测中，通常利用光子的量子特性，选用光电倍增管作探测器件。光电倍增管从紫外到近红外都有很高的灵敏度和增益。当用于非弱光测量时，通常是测量阳极对地的阳极电流(图1（a）)，或测量阳极电阻上的电压(图1（b）)，测得的信号电压（或电流）为连续信号；然而在

5、弱光条件下，阳极回路上形成的是一个个离散的尖脉冲。为此，我们必须研究在弱光条件下光电倍增管的输出信号特征。图1光电倍增管负高压供电及阳极电路图图2光电倍增管阳极波形弱光信号照射到光阴极上时，每个入射的光子以一定的概率（即量子效率）使光阴极发射一个光电子。这个光电子经倍增系统的倍增，在阳极回路中形成一个电流脉冲，即在负载电阻上建立一个电压脉冲，这个脉冲称为“单光电子脉冲”见图2。脉冲的宽度w取决于光电倍增管的时间特性和阳极回路的时间常数，其中为阳极回路的分布电容和放大器的输入电容之和。性能良好的光电倍增管有较小的渡越时间分散，即从光阴极发射的电子经倍增极倍增后的电子

6、到达阳极的时间差较小。若设法使时间常数较小则单光电子脉冲宽度w减小到10－30。如果入射光很弱，入射的光子流是一个一个离散地入射到光阴极上，则在阳极回路上得到一系列分立的脉冲信号。20图3不同光强下光电倍增管输出信号波形图3是用TDS3032B示波器观察到的光电倍增管弱光输出信号经过放大器后的波形。当入射光功率≈10－11时，光电子信号是一直流电平并叠加有闪烁噪声（a）；当≈10－12时，直流电平减小，脉冲重叠减小，但仍存在基线起伏（b）；当光强继续下降到≈10－13时，基线开始稳定，重叠脉冲极少（c）；当≈10－14时，脉冲无重叠，基线趋于零（d）。由图可知，当

7、光强下降为10－14量级时，在1的时间内只有极少几个脉冲，也就是说，虽然光信号是持续照射的，但光电倍增管输出的光电信号却是分立的尖脉冲。这些脉冲的平均计数率与光子的流量成正比。图4光电倍增管输出脉冲幅度分布的微分曲线图4为光电倍增管阳极回路输出脉冲计数率Δ随脉冲幅度大小的分布。曲线表示脉冲幅度在－（+Δ）之间的脉冲计数率Δ与脉冲幅度的关系，它与曲线（Δ/Δ）－有相同的形式。因此在Δ取值很小时，这种幅度分布曲线称为脉冲幅度分布的微分曲线。形成这种分布的原因有以下几点：⑴除光电子脉冲外，还有各倍增极的热发射电子在阳极回路形成的热发射噪声脉冲。热电子受倍增的次数比光电子

8、少，因此它