1、实验二十一实验二十一 单光子计数实验单光子计数实验近代物理实验近代物理实验郑州大学物理实验中心郑州大学物理实验中心光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于1014W）信号探测中的一种新技术。它可以探测弱到光能量以单光子到达时的能量。目前已被广泛应用于喇曼散射探测、医学、生物学、物理学等许多领域里微弱光现象的研究。实验背景通常的直流检测方法不能把淹没在噪声中的信号提取出来。微弱光检测的方法有：锁频放大技术、锁相放大技术和单光子计数方法。最早发展的锁频，原理是使放大器中心频率f0与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制。但这种方法存在中心频率不稳、带宽不能太窄、对待测信号缺乏跟踪能力等缺点后来发展了
2、锁相，它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。但是，当噪声与信号有同样频谱时就无能为力，另外它还受模拟积分电路漂移的影响，因此在弱光测量中受到一定的限制。单光子计数方法，是利用弱光照射下光电倍增管输出电流信号自然离散化的特征，采用了脉冲高度甄别技术和数字计数技术。与模拟检测技术相比单光子计数技术相比有以下优点：1、测量结果受光电倍增管的漂移、系统增益的变化及其它不稳定因素影响较小。2、基本上消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增级的热发射噪声的影响，提高了测量结果的信噪比。可望达到由光发射的统计涨落性质所限制的信噪比值。3、有比
3、较宽的线性动态范围。4、光子计数输出是数字信号，适合与计算机接口作数字数据处理。目前一般光子计数器的探测灵敏度优于1017W，这是其它探测方法所不能比拟的。（1）掌握一种弱光的检测技术，了解光子技术的基本原理和基本实验技术以及弱光检测中的一些主要问题。（2）了解弱光的概率分布规律。实验目的实验装置图1 GSZF-2A单光子计数实验系统图2 单光子计数器的框图图3 光路图实验原理单光子计数器方法利用弱光下光电倍增管输出电流信号自然离散的特征，采用脉冲高度甄别和数字计数技术将淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。当弱光照射到光阴极时，每个入射光子以一定的概率(即量子效率)使光阴极发射一个电子。这个光
4、电子经倍增系统的倍增最后在阳极回路中形成一个电流脉冲，通过负载电阻形成一个电压脉冲，这个脉冲称为单光子脉冲。除光电子脉冲外，还有各倍增极的热反射电子在阳极回路中形成的热反射噪声脉冲。热电子受倍增的次数比光电子少，因而它在阳极上形成的脉冲幅度较低。此外还有光阴极的热反射形成的脉冲。噪声脉冲和光电子脉冲的幅度的分布如图4所示。脉冲幅度较小的主要是热反射噪声信号，而光阴极反射的电子（包括光电子和热反射电子）形成的脉冲幅度较大，出现“单光电子峰”。用脉冲幅度甄别器把幅度低于Vh的脉冲抑制掉。只让幅度高于Vh的脉冲通过就能实现单光子计数。图4 光电倍增管输出脉冲分布 单光子计数器中使用的光电倍增管其光谱
5、响应应适合所用的工作波段，暗电流要小（它决定管子的探测灵敏度），相应速度及光阴极稳定。光电倍增管性能的好坏直接关系到光子计数器能否正常工作。放大器的功能是把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大，应有一定的增益，上升时间3ns,即放大器的通频带宽达100Mz；有较宽的线性动态范围及低噪声，经放大的脉冲信号送至脉冲幅度甄别器。图5 甄别器的作用a放大后b甄别后脉冲高度甄别器 脉冲高度甄别器的功能是鉴别输出光电子脉冲，弃除光电倍增管的热发射噪声脉冲。在甄别器内设有一个连续可调的参考电压甄别电平Vh。如图5所示，当输出脉冲高度高于甄别电平Vh时，甄别器就输出一个标准脉冲；当输入脉冲高度低于Vh时，甄别器无输出
6、。如果把甄别电平选在与图4中谷点对应的脉冲高度Vh上，这就弃除了大量的噪声脉冲，因对光电子脉冲影响较小，从而大大提高了信噪比。Vh称为最佳甄别（阈值）电平。需要注意的是：当用单电平的脉冲高度甄别器鉴别输出时，对应某一电平值V，得到的是脉冲幅度大于或等于V的脉冲总计数率，因而只能得到积分曲线（见图6），其斜率最小值对应的V就是最佳甄别（阈值）电平Vh，在高于最佳甄别电平Vh的曲线斜率最大处的电平V对应单光电子峰。图6光电倍增管脉冲高度分布积分曲线制冷器温度指示光阑筒光源功率计衰减片高压电源窄带滤波器放大器甄别器计算机示波器光电倍增管放大器甄别器计算机示波器图7 光路图实验内容及步骤 1.1.将冷
7、却水管接在水龙头上并开始通水，打开光子计数将冷却水管接在水龙头上并开始通水，打开光子计数 器开关。两分钟后打开制冷器开关。器开关。两分钟后打开制冷器开关。2.2.约约2020分钟后，待分钟后，待PVPV显示值与显示值与SVSV显示相符合后，打开显示相符合后，打开 计算机开始采集数据。计算机开始采集数据。3.3.开机后，在桌面上打开开机后，在桌面上打开“单光子计数单光子计数”文件，将模式项为文件，将模式项为“阈值方式阈值方式”，改变参数。然后点，改变参数。然后点“开始开始”开始开始,采集数采集数据，得到一曲线，取阈值。据，得到一曲线，取阈值。4.4.将模式改为将模式改为“时间方式时间方式”，将阈
8、值定为前面测出的值。，将阈值定为前面测出的值。采集数据，得到一振荡的曲线，将之保存，所得数据求平采集数据，得到一振荡的曲线，将之保存，所得数据求平均，即得到背景计数均，即得到背景计数N Nd d。tdtdNNSNRNN7.根据根据 ,求得信噪比。求得信噪比。8.8.改变设定温度改变设定温度SVSV，再重复实验，看信噪比与温度，再重复实验，看信噪比与温度 有何关系。有何关系。9.实验结束后，关闭单光子计数器及制冷器开关，关实验结束后，关闭单光子计数器及制冷器开关，关 闭计算机与光源电源。闭计算机与光源电源。2 2分钟后再关闭水源。分钟后再关闭水源。5.5.然后将光源的电源打开，转动光强调节纽，将
9、光强然后将光源的电源打开，转动光强调节纽，将光强设定为某一强度。开始采集数据，得到一振荡的曲设定为某一强度。开始采集数据，得到一振荡的曲线，将之保存。将所需数据求平均，即得到总计数线，将之保存。将所需数据求平均，即得到总计数 N Nt t。6.改变光源强度，再重复改变光源强度，再重复8 8，9 9步，看信噪比有何变化步，看信噪比有何变化1 1、在开制冷器前，一定先通冷却水。关闭制冷在开制冷器前，一定先通冷却水。关闭制冷 器后才能切断水源，否则将发生严重事故。器后才能切断水源，否则将发生严重事故。2 2、保存曲线时，若想将不能曲线比较，应将这些曲保存曲线时，若想将不能曲线比较，应将这些曲 线存在
10、不同寄存器中，否则不能同时打开。线存在不同寄存器中，否则不能同时打开。3 3、测量时，不可打开光路的上盖。以避免杂散光的影测量时，不可打开光路的上盖。以避免杂散光的影 响。响。【注意注意】仪器通电后，在开灯情况下，绝不能打开仪器上仪器通电后，在开灯情况下，绝不能打开仪器上盖，旋下减光筒上的盖，旋下减光筒上的“窄带滤光片窄带滤光片”和和“衰减滤光片衰减滤光片”，以免，以免进入强光损坏光电倍增管。进入强光损坏光电倍增管。注意事项注意事项 问题思考：（1）为什么由持续照射光源得到的弱光信号可以用脉冲计数办法来测量？（2）接受光功率p0与推算入射功率pi 是否一致？若不一致，试分析其原因所在。（3）光子技术方法与其他弱光检测方法相比有什么特点？（4）接受光功率p0与推算入射功率pi 是否一致？若不一致，试分析其原因所在。（5）阈值是否随温度的改变而改变？为什么？（6）用阈值方式采集数据确定阈值时，阈值应怎么取值？
