5.光子计数技术

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1、光电信号处理华中科技大学光电学院光电测控技术与仪器系第五章光子计数技术第五章光子计数技术§5.1光电倍增管§5.2光电倍增管的偏置电路与接地方式§5.3光子计数器中的放大器§5.4光子计数器测量弱光的上限§5.5光子计数器中的鉴别器§5.6光电倍增管的单光子响应峰§5.7光电倍增管的计数坪区——最佳偏压的选择§5.8光子计数器的测量误差分析§5.9光子计数器的测量方法与应用§5.10模拟光子计数器单光子探测技术是一种极微弱光探测法所探测的光强度比光电传感器本身在室温下的热噪声水平（10-14W）还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中

2、的信号提取出来。单光子计数方法利用弱光照射下光子探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其微弱的光信号识别并提取出来。光子计数技术概述单光子探测技术的应用领域：高分辨率的光谱测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、精密分析、大气测污、生物发光、放射探测、高能物理、天文测光、光时域反射、量子密钥分发系统等。由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，已经成为各国光电子学界重点研究的课题之一单光子探测技术和模拟检测技术相比有如下优点：●测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它不稳定因素的影响较小；●消除了探测器的大部分热

3、噪声的影响，大大提高了测量结果的信噪比；●有比较宽的线性动态区；●输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字数据处理。单光子计数器的组成单光子计数器由光电倍增管（PMT），前置放大器，幅度鉴别器和计数器构成。高压电源是使PMT正常工作；PMT必须配备制冷器以减少阴极的热电子发射。系统工作原理PMT阴极接受光辐射，进行光电转换后，再经过打拿极放大，输出至阳极。阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出，经过放大器信号放大后送到鉴别器，鉴别器通过设置第一鉴别电平和第二鉴别电平来减少暗电流和干扰，计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。单光子计数的光电器件可用来

4、作为单光子计数的光电器件有许多种，光电倍增管（PMT）雪崩光电二极管（APD）增强型光电极管（IPD）微通道板（MCP）微球板（MSP）真空光电二极管（VAPD）1、光电倍增管（PMT）单光子探测器单光子探测需要的光电倍增管要求：增益高、暗电流小、噪声低、量子效率高、较小的上升和下降时间。特点：优点：有高的增益（104～107）大光敏面积低的噪声等效功率（NEP）缺点：体积庞大、量子效率低下、反向偏压高、仅能够工作在UV和可见光谱范围内，抗外部磁场能力较差。2、雪崩光电二极管（APD）单光子探测器雪崩光电二极管不同于光电倍增管它是一种建立在内光

5、电效应基础上的光电器件。雪崩光电二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可以产生10~100对光生电子空穴对，从而能够在器件内部产生很大的增益。雪崩光电二极管的工作原理：工作在反向偏压下，反向偏压越高，耗尽层当中的电场强度也就越大。当耗尽层中的电场强度达到一定程度时（材料不同，电场大小也不一样，如：Si-APD为105V/cm），耗尽层中的光生电子空穴对就会被电场加速，而获得巨大的动能，它们与晶格发生碰撞，就会产生新的二次电离的光生电子空穴对，新的电子空穴对又会在电场的作用下获得足够的动能，再一次与晶格碰撞又产生更多的光生电子空穴对，如此下去，

6、形成了所谓的“雪崩”倍增，使信号电流放大。目前应用的APD主要有三种：Si-APD、Ge-APD和InGaAs-APD。它们分别对应不同的波长。Si-APD主要工作在400nm～1100nm，Ge-APD在800nm～1550nm，InGaAs-APD则在900nm～1700nm。已经有了相关的报道：在光通信三个波段（即850nm、1310nm和1550nm）的单光子探测器用于量子密钥系统。国内成功地制作了850nm波长的单光子探测器，并在850nm的单模光纤中完成了量子密码通信演示性实验。APD单光子计数具有量子效率高、功耗低、工作频谱范围大

7、、体积小、工作电压较低等优点，但是同时也有增益低、噪声大，外围控制电路及热电制冷电路较复杂等缺点。总的来说，比起国外目前的水平，我国在单光子探测领域还有较大差距。3、真空雪崩光电二极管（VAPD）单光子探测器针对PMT和APD的缺点，目前开发出一种真空雪崩光电二极管（VAPD）单光子探测器，它是由光阴极和一个具有大光敏区面积的半导体硅APD组成。光阴极和APD之间保持高真空态，光子信号打到光阴极上，产生光电子，这些光电子在高压电场的作用下加速，然后再打到APD上。对于硅APD，这些光电子的能量约为硅带隙能量的2000倍，这样一个光电子就能产生大

8、于2000对的电子空穴对。在VAPD中，Si-APD的典型增益为500倍，因而VAPD的增益可以达到106倍。VAPD单光子探测器是一种PMT和APD