单光子技术.docx

实验日期：2016年3月30日 近代物理实验 单光子计数 PAGE \* MERGEFORMAT8 单光子计数实验 姓名：李首卿 学号：201311141049 【摘要】为检测极其微弱光信号，人们发展出了使用光电倍增管将电信号自然离散化的技术．针对这一特点发展起来的单光子计数技术，采用了脉冲放大、脉冲甄别和数字计数技术，大大提高了对于弱光探测的灵敏度．在此实验中，我们认识并学习了以PMT为探测器的光子计数技术的基本实验原理和操作方法，研究了信噪比与接收光功率和测量时间的关系，并探究了工作温度对暗计数率和光计数率的影响． 关键词：PMT 甄别电平 信噪比 单光电子峰 引言 现代科学技术很多领域，如天文光度测量、大气污染检测、化学发生、生物发光、超高分辨光谱学、非线性光学以及量子信息学等，都会涉及极其微弱光信号的检测问题．微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．针对这一特点发展起来的单光子技术计数，采用脉冲放大、脉冲甄别和数字计数技术，大大提高了弱光探测的灵敏度，一般可以优于10-17W，这是其他弱信号探测方法所不能比拟的． 光子计数技术有如下优点：第一，有很高的信噪比，基本消除了PMT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；第二，抗漂移性很好，在光子计数测量系统中，PMT增益的变化、零点漂移和其他不稳定因素影响不大，所以时间稳定性好；第三，有比较宽的线性动态范围，最大计数率可达107s-1． 实验原理 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EP与光波频率ν的关系是 EP=hν=hcλ (1) 式中c为真空中的光速，h为普朗克常量，λ为光波长．光子能量R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P表示，单位为W．单色光的光功率P与光子流量R的关系是 P=REP (2) 当光流强度小于10-16W时通常称为弱光，此时可见光的光子流量可降到1ms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??光的光流强度，这就是单光子技术． PMT输出的信号波形：PMT是一种对紫外到近红外的光都有极高灵敏度和超快时间响应的真空电子管类的光探测器件，用于各种微弱光的测量．PMT结构如下图所示． 图  SEQ 图 \* ARABIC 1 PMT的结构示意图 当光子入射到PMT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，也就是说每三个入射光子大约只能记录下一个． 光阴极上发射出的电子，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．这些二次电子被加速后打到第二倍增极上，接连经过几个或是几个倍增极的增值作用后，电子数目最高可增加到108个．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． 在非弱光测量中，由于光子流量较大，测得的PMT输出信号为连续信号．而在弱光测量，光子流量较小，相邻两光子间的时间间隔可达毫秒量级，阳极回路中输出的是一个个离散的尖脉冲．尽管光信号可以是由一个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个无重叠的尖脉冲光子流量与这些脉冲的平均计数率成正比．用计数的方法测出单位时间内的光电子脉冲数相当于检测了光的强度． 单光电子峰：将PMT的阳极输出脉冲接到脉冲高度分析器，可以得到如图所示的单光电子峰分布．形成这种分布的原因有以下几个． 图  SEQ 图 \* ARABIC 2 PMT输出的脉冲幅度分布曲线 光阴极发射的电子，包括光电子和热发射电子，都受到了所有倍增级的增值．因此它们的幅度大致接近； 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得少，因此前者在阳极上形成的脉冲幅度要比后者低．所以图中脉冲幅度较小的部分主要是热噪声脉冲； 各倍增级的倍增系数不是一定值，有一定的统计分布，大体上遵守泊松分布． 光子计数器的组成 PMT：用于光子计数的应具有适合于实验中的工作波段的光谱响应，要有适当的阴极面积，量子效率高，暗计数率低，时间响应快，并且光阴极稳定性高．除尽量采用光阴极面积小的管子外，还采用制冷技术来降低光子的环境温度，以减少各倍增极的热发射电子发射； 放大器：将阳极回路输出的光电子脉冲线性的放大．放大器的增益可根据单光电子脉冲的高度和甄别器甄别电平的范围来选定．PMT与放大器的连线应尽量短，以减少分布电容，有利于光电脉冲的形成和传输； 脉冲高度甄别器：只有当