单光子计数讲义

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1、实验八单光子计数在天文测光、大气测污、分子生物学、超高分辨率光谱学、非线性光学等现代科学技术领域中，都涉及极微弱光信息的检测问题．光子计数技术就是检测弱光信号的一种新技术．这一技术是通过分辨单个光子在检测器(通常是光电倍增管)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．弱光信号是时间上比较分散的光子流，因而由检测器输出的将是自然离散化的电信号．针对这一特点，采用脉冲放大，脉冲甄别和数字计数技术，可以大大提高弱光探测的灵敏度,一般可以优于10−17W，这是其他探测方法所不能比拟的．现代光子计数技术的优点是：(1)有很高的信噪比．

2、基本上消除了光电倍增管的高压直流漏电流和各倍增极的热电子发射形成的暗电流所造成的影响．可以区分强度有微小差别的信号，测量精度很高．(2)抗漂移性很好．在光子计数测量系统中，光电倍增管增益的变化，零点漂移和其他不稳定因素对计数影响不大，所以时间稳定性好．(3)有比较宽的线性动态范围，最大计数率可达106s−1．目前用于光子计数的探测器有常规的PMT，也有微多通道板PMT和雪崩光电二极管等新型器件。这些器件拓宽了光子计数应用的光波长范围。【实验目的】(1)学习光子计数技术的基本实验方法；(2)通过实验了解光子计数方法和弱光检测中的一些特殊问题．【实验原

3、理】1.光子流量和光流强度光是由光子组成的光子流，单个光子的能量与光波频率的关系是(6-8-1)光子流量可用单位时间内通过的光子数表示，光流强度是单位时间内通过的光能量，用光功率表示．单色光的光功率与光子流量的关系是：(6-8-2)如果光源发出的是波长为500nm的近单色光，可以计算出这种光子的能量为当光功率为时，这种近单色光的光子流量为当光流强度小于时通常称为弱光，此时可见光的光子流量可降到一毫秒内不到一个光子，因此实验中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．2.光电倍增管输出的信号波形在弱光检测中光电倍增管是

4、最合适的探测器件如图6-8-1(a)所示．当光子入射到光电倍增管的光阴极上时，光阴极吸收光子后将发射出一些光电子，光阴极产生的光电子数与入射到阴极上的光子数之比称为量子效率．大多数材料的量子效率都在30％以下，也就是说每100个入射光子大约只能记录下30个．在弱光下光电倍增管输出的光电子脉冲基本上不重叠，所以光子计数实际上是将光电子产生的脉冲逐个记录下来的一种探测技术．当然，从统计意义上说也是单光子的计数．如图6-8-1(a)所示，光阴极上发射出的光电子，经聚焦和加速打到第一倍增极上，将在第一倍增极上“打出”几倍于入射电子数目的二次电子．这些二次电

5、子被加速后打到第二倍增极上，……接连经过几个或十几个倍增极的增殖作用后，电子数目最高可增加到108．最后由阳极收集所有的电子，在阳极回路中形成一个电脉冲信号．如图6-8-1(b)所示，脉冲宽度tw与光电倍增管的时间特性以及阳极回路的时间常数RLC有关（C为阳极回路的分布电容与放大器的输入电容之和）．性能良好的光电倍增管配合以尽可能小的RLC，可使脉冲宽度只有10~30ns.图6-8-1在非弱光测量中，由于光子流量较大，测得的光电倍增管输出信号为连续信号，见图6-8-2(a)．而在测量弱光时，光子流量很小，相邻两光子间的时间间隔可达毫秒量级，阳极回路

6、中输出的是一个个离散的尖脉冲(tw~10ns)，见图6-8-2(b)．(a)在强光信号下　　　　　　　　　　(b)在弱光信号下图6-8-2图6-8-3是由示波器观察到的放大后的光电倍增管输出信号波形．图中横坐标为时间．当光强降到10-16W左右时，尽管光信号可以是由一连续发光的光源发出的，而光电倍增管输出的电信号却是一个一个分离的尖脉冲，光子流量与这些脉冲的平均计数率成正比．只要用计数的方法测出单位时间内的光电子脉冲数，就相当于检测了光的强度．(a)光流强度约10-13瓦,光电子信号是在直流电平上叠加闪烁噪声(b)光流强度约10-17..瓦,直流电

7、平减小,脉冲重叠减少但仍存在基线起伏(c)光流强度约10-16.瓦,基线开始稳定,重叠脉冲极少(d)光流强度约10-17.瓦,脉冲无重叠,基线趋于平直图6-8-3各种不同光强信号下光电倍增管的输出波形3.单光电子峰将光电倍增管的阳极输出脉冲接到脉冲高度记录仪器，例如多道分析器作脉冲高度分布分析(PHA)，可以得到如图6-8-4所示的分布．光阴极发射的电子(包括光电子和热发射电子)所形成的各脉冲的幅度近于一致，造成图中的“单光电子峰”．形成这种分布的原因是：(1)光阴极发射的电子，包括光电子和热发射电子，都受到了所有倍增电极的增殖．因此它们的幅度大致

8、接近．(2)各倍增极的热发射电子经受倍增的次数要比光阴极发射的电子经受的少，因此前者在阳极上形成的脉冲幅度要比后者低．所以