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单光子计数 【摘要】本实验主要学习了以PMT为探测器的光子计数技术的基本实验方法，测量出了以中心波长为500nm的发光二极管作为光源时，系统最佳甄别电平为300mV；在此甄别电平下研究了信噪比RSN与测量时间t和入射光光功率P0的关系，得出了测量时间越大、入射光功率越小，信噪比越大的结论；最后研究了工作温度T对暗计数率的影响，发现温度降低暗计数率减小至一定值后保持稳定的较小值，得出可以通过降温增大信噪比的结论。 【关键词】单光子计数，信噪比，甄别电平，暗计数率 一、引言 现代科学技术许多领域都会涉及微弱光信息的检测问题，微弱光信号是时间的上的比较分散的光子，因而由检测器（通常是光电倍增管，以下简称PMT）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计数技术，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10-17，这是其他弱信号探测方法所不能比拟的。 光子计数计数有如下优点：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点子的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，最大计数率可单位多达107/s。 本实验学习以PMT为探测器的光子计数技术基本实验方法并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，确定了弱光测量需要的最佳甄别电平，研究了信噪比RSN与积分时间t和入射光功率P0和的关系，以及工作温度T对暗计数率的影响。 实验原理 物理原理 光子流量与光流强度 光是由光子组成的光子流，单个光子的能量是Ep与光波频率ν的关系是 （1） 其中，光子流量R表示单位时间内通过的光子数，光流强度P是单位时间内通过的光能量即光功率，且有 （2） 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见到内不到一个光子，因此实验中的要完成的将是对单个光子进行进检测，进而得出弱光的光流强度，这就是单光子计数。 PMT输出的信号波形 PMT是一种从紫外到近红外都有极高的灵敏度和超快时间响应的真空电子管类光探测器件，用于各种微弱光的测量。其结构原理图如下： 图  SEQ 图 \* ARABIC 1 PMT结构示意图 光阴极：吸收光子，发射出一些电子，产生的光电子数与入射到光阴极上的光子数之比为量子效率，一般小于30%； 倍增极：光阴极上发射的电子经聚焦和加速打在第一倍增极上面，将在第一倍增极上打出几倍于入射电子数目的二次电子，按此方式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； 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2所示。脉冲宽度tw与PMT的时间特性以及阳极回路的时间常数RaCa有关，其中Ra为阳极电阻，Ca为阳极回路的分布电容与放大器的输入电容为阳极回路的分布电容与放大器的输入电容之和。 图  SEQ 图 \* ARABIC 2 PMT阳极波形 在非弱光测量中，由于光子通量比较大，测得的PMT输出信号为连续信号，如图3(a)。而在弱光测量中，阳极回路中输出的是一个个离散的尖脉冲，如图3(b)。只要用技术的平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。 图  SEQ 图 \* ARABIC 3 PMT输出信号 单光电子峰 将PMT的阳极输出脉冲接到脉冲高度分析器，可以得到图4所示的单光子峰分布： 图  SEQ 图 \* ARABIC 4 PMT输出的脉冲幅度分布曲线 形成这种分布的有以下几个原因： 光阴极发射的电子包括光电子和热发射电子，都受到了所有倍增极的增殖，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2中脉冲幅度较小部分主要是热噪声脉冲； 各倍增极的倍增系数不是一定值，有一统计分布，大体上遵守泊松分布，所以，如果用脉冲高度甄别器将幅度高于图2中谷点的脉冲加以甄别，输出并计数显示，就可以实现高信噪比的单光子计数，大大提高检测灵敏度. 仪器原理 光子计数器的组成 光子计数器的组成原理图如下： 图  SEQ 图 \* ARABIC 5 光子计数系统 PMT：适合于实验中工作波段的PMT，要求要有适当的阴极面积，量子效率高，暗计数率低没时间响应快，并且光阴极稳定性极高； 放大器：作用是将PMT阳极回路输