单光子计数实验2分析.doc

一．实验的目 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。 二．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（或波长为）的光子，其能量为 ????????（2－8－1） 式中普朗克常量， 光速（m／s）。以波长＝6.310 m的氦—氖激光为例，一个光子的能量为： =(J) 一束单色光的功率等于光子流量乘以光子能量，即 ???? ????????（2－8－2） 光子的流量R（光子个数／S）为单位时间内通过某一截面的光子数，如果设法测出入射光子的流量R，就可以计算出相应的入射光功率P。 有了一个光子能量的概念，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, 则 光子／S 所以，1mW的氦—氖激光，每秒有量级的光子，从光子计数的角度看，如此大量的光子数是很强的光子。 对于光子流量值为1的氦—氖激光，其功率是W。当R=10000个光子／s时，则光功率为W。当光功率为10-16w时，这种氦—氖激光的近单色光的光子流量为 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一毫秒内不到一个光子。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）用作光子计数的光电倍增管。 光电倍增管(PMT)是一种高灵敏度电真空光敏器件，在弱光测量中，人们首先选用它人微言轻光信号的探测器件。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2－8－1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：这是接受光子产生光电子的电极，它由光电效应概率大而光子逸出功小的材料制造。 图 2－8－1 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，一般电子放大倍数达。 阳极：这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2－8－2（a）所示。通常采用阳极接地的方法，如图2－8－2（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 2－8－2? 光电倍增管的高压偏置 用光电倍增管监测微弱光时，若光微弱到其光子一个个地到达，则光电倍增管的输出将是一个个分离的电脉冲，假定光阴极的量子效率为1，那么每个输出的电脉冲相当于一个光子入射到光阴极上，设每个倍增极约产生4个次级电子。当一个光子在光阴极上产生一个电子时，经过逐级倍增，在阳极可得到大约个电子。这些电子的总电荷量库仑。因为它们是几乎全部同时到达阳极，对阳极输出电容进行瞬时充电，所以在阳极输出一个电脉冲，如图10.4.3所示，阳极电容一般为10PF~100PF, 负载电阻R为50，阳极输出脉冲电压|V|=Q/C=1~10mV。脉冲宽度在10~30ns，由此可见，如果已知光阴阳极在入射光波长上的量子效率，测得阳极输出的脉冲数，则可以用脉冲计数的方法来推算出入射光子流的强度。 ?????????? ?图 2－8－3? 光电倍增管的阳极波形 然而，光电倍增管由于光阴极和倍增极的热电子发射，也会在阳极输出一个电脉冲，它与入射光的存在与否无关，所以称它为暗电流脉冲，即是光电倍增管中的热噪声，光阴极造成的热噪声脉冲与单光子脉冲幅度相同，而各倍增极造成的大量的热噪声脉冲幅度一般均多于单光子幅度。图2－8－4是这两种脉冲幅度的概率分布曲线。由此提供了一个去除噪声脉冲的简单方法，即将光电倍增管的输出脉冲通过一个幅度甄别器，调节甄别器阀值h，使hh，则可以甄别掉大部分噪声脉冲，而对信号脉冲来说，损失却是很小的，从而可以大大提高监测信号的信噪比。 ?? 图 2－8－4? 光电子脉冲与热电子脉冲的幅度分布曲线 用于光子技术的光电倍增管要求光阴极的量子效率要高而稳，响应速度要快，管子热噪声要小，并且要求有明显的单光子峰。图2－8－5为光电倍增管阳极回路输出的脉冲计数随脉冲幅度大小的分布，它是选择光电倍增管的重要依据。若定义 ， ??????? ， 则峰谷比越大或分辨率越小的光电倍增管，越适合用作弱光检测，