单光子计数实验2

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1、实验的目1.学习光子计数技术的原理，掌握光子计数系统中主要仪器的基本操作。2.掌握用光子计数系统检测微弱光信号的方法。Y解弱光检测中的一些特殊问题。二.实验原理（一）光子流量和光流强度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（或波长为＞1）的光子，其能ft为(2-8-1)式巾普朗克常量*=光速C=10xW*（m/s）o以波长乂=6.3X104m的氮一氖激光为例，一个光子的能量为：S.«xl0-*x3.0xl^TlxlO(J)-束中.色光的功率等于光子流量乘以光子能量，即(2-8-2)p=rb9光子的流

2、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显的认识，例如，对于氦一氖激光器而言，lmW的光功率并不是弱光范畴，因为光功率P=lmW，贝IJH=—=3.2xiou伞光子/s所以，lmW的氦一氖激光，每秒有If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子。对于光子流量值为1的氦一氖激光，其功率是HXlO"*W。当R=10000个光子/s时，则光功率为当光功率为1016W时，这种氦一氖激光的近单色光的光子流量为Irt

3、-W3.16x10«=—一_=3.2x10^当光流强度小于1016W时通常称为弱光，此时可见光的光子流量可降到一毫秒内不到一个光子。实验屮要完成的将是对单个光子进行检测，进而得出弱光的光流强度，这就是单光子计数。(二)用作光子计数的光电倍增管。光电倍增管(PMT)是一种高灵敏度电真空光敏器件，在弱光测量中，人们首先选用它人微言轻光信号的探测器件。光电倍增管由光窗、光阴极、倍增极和阳极组成。常用的光电倍增管有盒式结构、直线聚焦结构和百叶窗结构，如图2—8—1所示。光窗：光线或射线射入的窗口，检测不同的波长的光，应选择不同的光窗玻璃。光阴极：这是接

4、受光子产生光电子的电极，它由光电效应概率大而光子逸出功小的材料制造。光明极(b)直线聚焦结构•••rl!

5、LVA//vr」/z///z/Luv\/\rL/?/厂(a)盒式结构(ri百叶窗结构图2-8-1光电倍增管的结构倍增极：管内光电子产生倍增的电极，在光电倍增管的光阴极及各倍增极上加有适当的电压，构成电子光学聚集系统。当光电倍增管光阴极产生的光电子打到倍增极上产生二次电子时，这些电子被聚焦到下一级倍增极上乂产生二次电子，因此使管内电子数目倍增。倍增极的数目有8〜13个，一般电子放大倍数达1C•-<0。阳极：这是最后收集电子的电极，经过多

6、次倍增后的电子被阳极收集，形成输出信号,阳极与末级倍增极间要求有最小的电容。光电倍增管有两种高压偏罝方式：一种是阴极接地，阳极接一个高的正电压；另一种是阳极经过一•个适当的负载电阻接地，而使阴极具有一个高的负电压，如图2—8—2(a)所示。通常采用阳极接地的方法，如图2-8—2(b)所示，其优点在于可直接将阳极连至图2-8-2光电倍增管的高压偏置用光电倍增管监测微弱光时，若光微弱到其光子一个个地到达，则光电倍增管的输出将是一个个分离的电脉冲，假定光阴极的量子效率为1，那么每个输出的电脉冲相当于一个光子入射到光阴极上，设每个倍增极约产生4个次级电

7、子。当一个光子在光阴极上产生一个电子时，经过逐级倍增，在阳极可得到大约个电子。这些电子的总电荷量库仑。因为它们是儿乎全部同时到达阳极，对阳极输出电容进行瞬时充电，所以在阳极输出一个电脉冲，如图10.4.3所示,阳极电容一般为10PF〜100PF,负载电阻R为50fi,阳极输山脉冲电压

8、VC卜Q/C=n0mV。脉冲宽度在10~30ns,由此可见，如果己知光阴阳极在入射光波长上的S子效率，测得阳极输出的脉冲数，则可以用脉冲计数的方法来推算出入射光子流的强度。图2-8-3光电倍増管的阳极波形然而，光电倍增管由于光阴极和倍增极的热电子发射，也会在阳极输

9、出一个电脉冲，它与入射光的存在与否无关，所以称它为暗电流脉冲，即是光电倍增管中的热噪声，光阴极造成的热噪声脉冲与单光子脉冲幅度相同，而各倍增极造成的大量的热噪声脉冲幅度一般均多于单光子幅度。图2—8—4是这两种脉冲幅度的概率分布曲线。由此提供了一个去除噪声脉冲的简单方法，即将光电倍增管的输出脉冲通过一个幅度甄别器，调节甄别器阀值h,使h〉hi,则可以甄别掉大部分噪声脉冲，而对信号脉冲来说，损失却是很小的，从而可以大大提高监测信号的信噪比。阁2-8-4光电子脉冲与热电子脉冲的幅度分布曲线用于光子技术的光电倍增管要求光阴极的量子效率要高而稳，响应速

10、度要快，管子热噪声要小，并且要求有明显的单光子峰。图2—8—5为光电倍增管PN极回路输出的脉冲计数随脉冲幅度大小的分布，它是选择光电倍增管的重要依据。