单光子计数实验-绝对零度.doc

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1、实验07单光子计数实验光子计数技术，是检测极微弱光的有力手段，是通过分辨单个光子在检测器（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。这种系统具有良好的长时间稳定性和很高的探测灵敏度。目前，光子技术系统广泛应用于科技领域中的极微弱光学现象的研究和某些工业部分中的分析测量工作，如在天文测光、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。【实验目的】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

2、系统检测微弱光信号的方法，了解弱光检测中的一些特殊问题。【仪器用具】SGD-2型单光子计数系统、示波器、计算机。【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（波长为）的光子，其能量为              （1）式中普朗克常量，光速。以波长为的氦-氖激光为例，单个光子能量为。将单位时间内通过某一截面的光子数R称为光子流量。并进一步将单位时间内通过该截面的光能量定义为光流强度，用光功率P表示。一束单色光的光功率功率等于光子流量乘以光子能量，即

3、     （2）如果设法测出入射光子流量R，就可以计算出相应的入射光功率P。有了单光子能量的概念，就对微弱光的量级有了明显的认识，例如对于氦-氖激光器而言，1mW的光功率并不是弱光范畴，因为光功率P=1mW，其光子流量为；所以，1mW的氦-氖激光，每秒有1015量级的光子，从光子计数的角度看，如此大量的光子数属于强光。对于光子流量值为1s-1的氦-氖激光，其功率是；当R=10000s-1时，则光功率为；当光功率为10-16W时，其光子流量为。当光流强度（光功率）小于10-16W时通常称为弱光，此时可见光的光子流量可降

4、到一毫秒内不到一个光子。本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。（二）单光子计数工作原理1．光子计数器工作原理当光强微弱到一定程度时，光的量子特征开始突出起来，例如He-Ne激光光源，其每个光子的能量为3.1910-19J。当光功率小于10-11W时，相当光子的发射率为108光子数/秒，即光子的发射周期约为10-8秒，刚好是光电倍增管（简称PMT）输出脉冲可分辨的极限宽度（即PMT响应时间）。这样，PMT的输出呈现出脉冲序列的特点，可测得一个个不重叠的光子能量脉冲。光子计数器

5、就是利用光信号脉冲和噪声脉冲之间的差异，如幅度上的差异，通过一定的鉴别手段进行工作，从而达到提高信噪比的目的，图1是光子计数器的原理方框图。图1单光子计数器框图放大器的功能是把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大，经过放大后的信号要便于脉冲幅度鉴别器的鉴别。由于光子信号的半宽度约为10~30ns，因此放大器需要足够的带宽，常用的放大器带宽为100~200MHz，上升及下降时间要求小于3ns，同时放大器还要求有好的线性度（<1%）和良好的增益稳定性，而放大倍数仅需10~200倍即可。计数器的作用是在规定的测量时间间隔内将甄别器

6、的输出脉冲累加计数，要求有较久的计数率，一般为100MHz，和有高的计数容量（108数据通道）。2.光电倍增管的结构和工作原理（1）光电倍增管的结构光电倍增管(英文简称PMT)是一种高灵敏度的真空光敏器件，在弱光测量中，人们首先选用它作为弱光信号的探测器件，用作光子计数。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：接受光子产生光电子的电极，由光电效应概率大而光子逸出功小的材料

7、制造。图2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又产生二次电子，因此使管内电子数目倍增。倍增极的数目有8～13个，如图3所示，一般电子放大倍数达。图3光电倍增管结构图阳极：是最后收集电子的电极，经过多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置方式：一种是阴极接地，阳极接一个高的正电压；另一种是

8、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4（a）所示。通常采用阳极接地的方法，如图4（b）所示，其优点在于可直接将阳极连至一个DC测量系统或光子计数系统。图4光电倍增管的高压偏置（2）光电倍增管用作光子计数的工作原理当一个光子入射到光阴极K上，可能使光阴极上以几率逸出电子称为量子效率。这个光电子继续被更高的电压加速而飞向