光子计数技术.ppt

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1、光子计数器1光子计数器1概述2光电倍增管及偏置电路与接地方式3光子计数过程中的噪声4光子计数器中的放大器5光子计数器测量弱光的上限6光子计数器中的鉴别器7光电倍增管的单光子响应峰8光电倍增管的计数坪区——最佳偏压的选择2一、单光子计数技术利用弱光照射下光电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信号识别并提取出来。单光子计数探测技术是一种极微弱光探测法。它所探测的光的光电流强度比光电检测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的信号提取出来。1概述3单光子探测技

2、术应用：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、量子密钥分发系统等领域。单光子探测器在高技术领域具有重要地位，成为各国光电子学界重点研究的课题之一。4这种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。5二、单光子计数的光电器件可用来作为单光子计数的光电器件有许多种，光电倍增管（

3、PMT）、雪崩光电二极管（APD）、增强型光电二极管（IPD）、微通道板（MCP）、微球板（MSP）真空光电二极管（VAPD）61.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、时间分辨率高、量子效率高、较小的上升和下降时间。特点：具有高的增益（104～107）；大光敏面积；低噪声等效功率（NEP）；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。72、雪崩光电二极管（APD）雪崩光电二极管不同于光电倍增管，它是一种建立在内光电效应基础上的光电器件。雪崩光电二极管

4、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。8目前应用的APD主要有三种，即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。9APD单光子计数具有量子效率高、功耗低、工作频谱范围大、体积小、工作电压较低等优点。但是

5、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。103、真空雪崩光电二极管（VAPD）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禁带能量的2000倍，这样一个光电子就能产生大于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

6、。11VAPD单光子探测器是一种PMT和APD相结合的产物，具有许多PMT和APD无法比拟的优点。其主要特点有：低噪声、动态范围大、分辨率高、抗磁干扰能力强、探测光谱范围宽等特点。12三、单光子探测器的现状及其发展对于可见光探测，光电倍增管有很好的响应度，暗电流也非常小，很早就用于单光子计数，现在技术已经比较成熟，市场上也有了不少类似的产品。随着人们对红外光研究的不断深入，特别是近年来量子通信技术、量子密码术的研究不断引起各国的重视，对红外通信波段（850nm、1310nm和1550nm）单光子探测器的研究尤为迫切。光电倍增管却显得无能为力，即使

7、是最好的红外光阴极-Si阴极，光谱响应到1050nm就已经截止了，仅这一点就排除了光电倍增管在红外通信波段的应用。13在850nm波段，考虑到光电倍增管工作电压很高和使用维护的复杂程度，在实际应用中人们还是选用Si-APD雪崩光电二极管。现在对Si的研究已经趋于成熟，Si-APD也已经有了比较好的制造工艺。国外已经有公司开发出了专门针对850nm单光子探测的商用Si-APD。在1310nm和1550nm波段，Si-APD已经不能用于进行单光子探测了，一般选用InGaAs-APD，但由于制造工艺的问题，目前还没有专门针对单光子探测的商用InGaAs

8、-APD。目前对这两个波段的单光子探测一般都是关于利用现有针对光纤通信的商用APD，通过优化外围驱动电路，改善工作环境，使其达到单光子探