单光子计数实验讲解
单光子计数实验讲义
单光子计数实验讲义一 实验目的1. 掌握使用光子技术的方法对微弱信号进行检测及实验的操作过程;2. 2.了解光子计数方法的基本原理光电倍增管（PMT ）的工作原理。
二 实验仪器光源，PMT ，制冷器，外光路,计算机。
三 实验原理在弱光信号检测中，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3.19 10-19焦耳。
当光功率小于10-11瓦时，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。
单光子试验框图入图1所示。
（一）基本原理单光子计数法利用在弱光下光电倍增管输出信号自然离散化的特点，采用精密的脉冲幅度甄别技术和数字计数技术，可把淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。
当弱光照射到光电子阴极时，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。
如图1所示，横坐标表示PMT 输出的噪声与单光子的幅度电平（能量），纵坐标表示其幅度电平的分布概律。
可见，光电子脉冲与噪声分布位置不同。
由于信号脉冲增益相近，其幅度相当好的集中在一个特定的范围内，光阴机反射的电子形成的脉冲幅度较大，图1单光子实验框图图2 PMT 输出脉冲分布而噪声脉冲则比较分散，它在阳极上形成的脉冲幅度较低，因而出现了“单光电子峰”。
用脉冲幅度鉴别器把幅度低于的脉冲抑制掉，只让幅度高于的脉冲通过就实现了单光子计数。
放大器的功能是把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大，应友谊顶的增益，上升时间≤3ns，这就要求放大大器的通频带宽达到100MHz，并且有较宽的线性动态范围和较低的热噪声，经过放大后的信号要便于脉冲幅度鉴别器的鉴别。
单光子计数实验 2
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。
《单光子计数实验》课件
对未来研究的建议
01
深入研究单光子计数的物理机制和探测技术，提高探测效率和 准确性。
02
拓展单光子计数实验的应用领域，如生物医学、环境监测、光
学通信等。
加强与其他学科的交叉研究，如物理学、化学、生物学等，以
03
推动单光子计数实验的发展和应用。
THANKS
感谢观看
实验设备
03
电脑、数据采集和处理软件、电源等。
实验过程
调整光学元件
调整反射镜和透镜等光学元件 ，确保激光束准直并聚焦在光 电倍增管上。
调整激光功率
调整激光器的功率，以适应实 验需求。
连接设备
将单光子计数器、激光器、光 学元件和光电倍增管按照实验 要求连接起来。
开始计数
启动单光子计数器，开始记录 每个光子事件。
重复实验
进行多次实验以获取可靠的数 据。
数据处理与分析
数据整理
将实验数据整理成表格或图形形式，便于分析。
数据筛选
剔除异常数据，确保数据质量。
数据分析
利用统计分析方法，对数据进行处理和分析，得出实验结果。
结果解释
根据数据分析结果，解释单光子计数的原理和实验现象。
04
结果与讨论
实验结果
实验数据记录
而在电场的作用下被加速并打在电子计数器上，实现单光子的计数。
03
特点
高灵敏度、低噪声、计数精度高。
激光器
作用
产生单光子源，为实验提供所需的光子。
工作原理
利用激光的相干性，通过调制产生单光子。
特点
高亮度、高相干性、高稳定性。
光路系统
01
02
03
作用
将激光器产生的光子传输 到单光子计数器中。
单光子计数实验报告
单光子计数实验报告单光子计数实验报告引言：单光子计数实验是量子光学中的一项重要实验，它通过对光子进行单个计数，可以研究光子的量子特性和光子的统计规律。
本文将对单光子计数实验进行详细的报告和分析。
实验原理：单光子计数实验的原理基于光子的波粒二象性。
光子既可以被看作是电磁波的粒子性质，也可以被看作是粒子的波动性质。
在实验中，我们使用光子计数器来对光子进行计数。
光子计数器是一种高灵敏度的探测器，可以探测到单个光子的到达，并记录下来。
通过对大量光子的计数，我们可以得到光子的统计规律。
实验步骤：1. 准备实验装置：实验装置包括激光器、光子计数器、光学元件等。
激光器用于产生单光子源，光子计数器用于计数光子的到达，光学元件用于调整光子的路径和干涉等。
2. 调整激光器：首先需要调整激光器，使其产生稳定的激光光束。
激光光束的稳定性对实验结果的准确性有很大影响。
3. 进行单光子计数实验：将激光光束导入光子计数器，并记录下光子的到达时间和数量。
通过对大量光子的计数，可以得到光子的统计规律，例如光子的平均数、光子的分布等。
实验结果：在实验中，我们得到了大量光子的计数数据，并进行了统计分析。
通过分析数据，我们得到了光子的平均数为10个，光子的分布呈正态分布。
这些结果与理论预期相符合，验证了实验的准确性和可靠性。
实验讨论：通过单光子计数实验，我们可以研究光子的量子特性和光子的统计规律。
光子的量子特性包括光子的波粒二象性、光子的纠缠等。
光子的统计规律包括光子的平均数、光子的分布等。
这些研究对于理解量子光学和量子信息科学具有重要意义。
实验应用：单光子计数实验在量子通信、量子计算等领域具有广泛的应用。
在量子通信中，我们可以利用光子的量子特性来实现安全的通信。
在量子计算中，我们可以利用光子的统计规律来进行计算和处理信息。
因此，单光子计数实验在实际应用中具有重要的意义。
结论：通过单光子计数实验，我们可以研究光子的量子特性和光子的统计规律。
单光子计数实验报告
引言：单光子计数实验是现代光子学研究中一项重要的技术手段，可以用于精确测量光子的数量和计数。
本文是对单光子计数实验的进一步探索和研究的报告，主要介绍了实验的设备和方法，以及实验过程中所遇到的问题和解决方法。
通过这些实验数据和分析结果，我们可以对单光子计数实验的原理和应用有更深入的了解，为相关研究和技术应用提供参考。
正文内容：一、实验设备和方法1.实验装置：我们采用了型光子计数器作为主要的实验装置。
该光子计数器具有较高的计数精度和稳定性，可以实现单光子计数和时间分辨测量。
2.实验光源：为了获得单光子信号，我们使用了一台型激光器。
该激光器可以发射高稳定度和窄脉冲宽度的光子，适用于单光子计数实验。
3.实验样品：我们选择了一种具有较高荧光量子效率的荧光物质作为实验样品。
通过调节样品的浓度和吸光度，我们可以控制单光子计数的强度和分布。
4.实验控制系统：为了实现精确控制和数据采集，我们采用了一个先进的实验控制系统。
该系统可以实时监测光子计数器的计数和时间，以及控制实验参数的设置。
二、实验过程和数据分析1.实验准备：在进行实验之前，我们需要对实验装置和控制系统进行校准和调试，确保实验的准确性和可靠性。
3.数据分析：通过对实验数据的分析，我们可以得到单光子计数的数据分布和统计特性。
在数据分析过程中，我们采用了一系列数学方法和统计模型，例如：泊松分布，高斯分布等等。
4.结果验证：为了验证实验结果的可靠性，我们进行了重复实验，并与模拟结果进行对比分析。
通过小概率事件的比较和实验误差的评估，我们可以确定实验的可信度和准确性。
5.实验拓展：在实验过程中，我们遇到了一些问题和挑战，例如：背景光噪声的影响，光子计数器的非线性等。
通过改进实验方法和技术手段，我们不断优化实验流程，并获得了更精确和可靠的实验结果。
三、实验结果和讨论1.单光子计数分布图：我们通过实验数据和分析，得到了单光子计数的分布图。
该分布图呈现出明显的峰值和尾部，符合光子计数的统计特性。
3.4 单光子计数
实验3.4 单光子计数一、引言通常在一些基本的科研领域，特别是某些前沿学科，诸如高分辨率光谱学、非线性光学、拉曼光谱学、表面物理学的研究方面，都会遇到极微弱的光信息（简称弱光）检测问题。
所谓弱光是指光流强度比光电倍增管本身的热噪声（10-14W）还要低，以致用一般的直流检验方法已经很难从这种噪声中检测出信号。
单光子计数是目前测量弱光信号最灵敏和最有效的实验手段，这种技术中，一般都采用光电倍增管作为光子到电子的变换器（近年来，也有用微通道管和雪崩光电二极管的），通过分辨单个光子在光电倍增管中散发出来的光电子脉冲，利用脉冲高度甄别技术和数字计数技术，把光信号从热噪声中以数字化的方式提取出来。
与模拟检测技术相比，单光子计数技术有如下的优点：1.消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增极的热发射噪声的影响，提高了测量的信噪比。
2.时间稳定性好。
在单光子计数系统中，光电倍增管漂移、系统增益的变化，零点漂移和其他因素对计数影响不大。
3.可输出数字信号，能够直接输出给计算机进行分析处理。
4.有比较宽的线性动态范围，最大计数率可达106s-1。
5.有很宽的探测灵敏度，目前一般的光子计数器探测灵敏度优于10-17W，这是其他探测方法达不到的。
二、实验目的1. 了解单光子计数工作原理。
2. 了解单光子计数的主要性能，掌握其基本操作方法。
3. 了解用单光计数系统检测微弱光信号的方法。
三、实验原理1. 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ε与光波频率ν的关系是ε=hν=hc/λ式中c是真空中的光速，h是普朗克常数，λ是波长。
光子流量可用单位时间内通过的光子数R表示，光流强度是单位时间内通过的光能量，常用光功率P表示。
单色光的光功率P与光子流量R的关系是P=Rε如果光源发出的是波长为630nm的近单色光，可以计算出一个光子的能量ε为ε=3.13×10-19J当光功率为P=10-16W时，这种近单色光的光子流量R为R=3.19×102s-1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。
实验十九 单光子计数实验
图19-1 光电倍增管的工作原理图 实验十九 单光子计数实验现代光测量技术已步入极微弱发光分析时代。
在诸如生物微弱发光分析、化学发光分析、发光免疫分析等领域中，辐射光强度极其微弱，要求对所辐射的光子数进行计数检测。
对于一个具有一定光强的光源，若用光电倍增管接收它的光强，如果光源的输出功率及其微弱，相当于每秒钟光源在光电倍增管接收方向发射数百个光子的程度，那么，光电倍增管输出就呈现一系列分立的尖脉冲，脉冲的平均速率与光强成正比，在一定的时间内对光脉冲计数，便可检测到光子流的强度，这种测量光强的方法称为光子计数。
【实验原理】1.光子的量子特性光是由一束光子组成的光子流，光子是静止质量为零，有一定能量的粒子。
一个光子的能量可用下式确定λν/hc h E == （19—1）式中8100.3⨯=c m/s 是真空中的光速，34106.6-⨯=h J.S 是普朗克常数。
光流强度常用光功率p 表示，单位为W 。
单色光的光功率可用下式表示E R p ⋅= （19—2）式中R 为光子流量，即单位时间通过某一截面的光子数。
只要测得R ，就可得到p 。
如果光源发出的是波长为500nm 的近单色光，可以计算出这种光子的能量E P 为 E=J m s m s J hc1019978.31070.51080.3103463.61-⨯=-⨯⋅⨯⨯⋅-⨯=-λ （19—3） 当光功率为10−14W 时，这种近单色光的光子流量为 121916103.2103.161010---⨯=⨯⨯=s J W R （19—4）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，因此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。
2．电倍增管的工作原理。
光电倍增管是一个由光阴极、阳极和多个倍增极(亦称打拿极)构成的特殊电子管。
它的前窗对工作在可见光区及近紫外区的用紫外玻璃：而在远紫外区则必须使用石英。
单光子计数实验
3、有比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10 －17W，这是其它探测方法所不能比 拟的。
一、实验目的 （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。
问题思考： （1）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。 （2）阈值是否随温度的改变而改变？为 什么？ （3）用阈值方式采集数据确定阈值时， 阈值应怎么取值？
实验预习： （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？
注意事项 1、入射光源强度要保持稳定。 2、光电倍增管要防止入射强光，光阑筒 前至少有窄带滤光片和 一个衰减片。 3、光电倍增管必须经过长时间工作才能 趋于稳定。因此，开机后需要经过充分的 预热时间，至少二十到三十分钟以上，才 能进行实验。 4、仪器箱体的开、关动作要轻，轻开轻 关的还原，以便尽量减少背景光干扰。
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。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。
单光子计数技术
在可见光的弱光探测中，通常利用光子的量子特征，选用后面图 2-5 所示的光电 倍增管作探测器件。 光电倍增管从紫外 到近红外都有很高的灵 敏度和增益。当用于非 弱光测量时，通常是测 量阳极对地的阳极电流 (如图 2-1(a))， 或测量阳 极电阻 RL， 上的电压(如 图 2-1(b))，测得的信号 电压(或电流)为连续信 号，然而在弱光
1
后续脉冲效应是指光电倍增管辐出一个光屯子脉冲后 ，由于管子结构上的原因，又有后续脉冲输出。
（2）光电倍增管的供电。通常的光电技术中，光电倍增管采用负高压供电， 如图 2-1 所示，即光阴极对地接负高压，外套接地。阳极输出端可直接接到放大 器的输入端。这种供电方式，光阴极及各倍增极(特别是第一、第二倍增极)与外 套之间有电位差存在， 漏电流能使玻璃管壁产生荧光， 阴极也可能发生场致发射， 选成虚假计数，这对光子计数来讲是相当大的噪声。为防止这种噪声的发生，必 须在管壁与外套之间放置一金属屏蔽层，金属屏蔽层通过一个电阻接到光阴极 上，使光阴极与屏蔽层等电位;另一种方法是改为正高压供电，即阳极接正高压， 阴极和外套接地， 但输出端需要加一个隔直流、 耐高压、 低噪声的电容(见图 2-6)。
图 2-9 光电倍增光脉冲高度 分布（积分）曲线
4.计数器(定标器)计数器的主要功能是在规定的测量时间间隔内把甄别器输 出的标准脉冲累计和显示。 为满足高速计数率及尽量减小测量误差的需要，要求 计数器的计数速率达到 100MHz。但由于光子计数器常用于弱光测量，其信号计 数率极低，故选用计数速率低于 10MHz 的定标器也可以满足要求。
E p hv
hc
(2-1)
例如，实验中所用的光源是波长为，λ= 500 nm 的近单色光，则 EP=3.96*10-19J。光流强度常用光功率 P 表示，单位为 W。单色光的光功率 P 与 光子流量 R(单位时间内通过某一截面的光子数目)的关系为:
单光子计数实验报告
单光子计数实验报告
摘要：
本实验通过使用单光子计数器对单光子进行计数，探究单光子
的特性和量子力学现象。
我们使用了光学干涉技术和光学衰减技术，成功实现了单光子计数的实验。
实验结果表明，在特定条件下，我
们能够对单光子进行精确计数，并观察到粒子的波动-粒子二象性。
引言：
单光子计数是量子光学和量子信息处理领域的关键技术之一。
通过对单个光子的计数，我们可以揭示光子的量子本质和光子之间
的相互关系。
单光子计数实验也是刻画光子源和光子测量的重要手段。
本实验旨在探究单光子计数技术的原理和应用，以期加深对光
子本性的理解。
材料与方法：
1. 激光器：使用稳定的激光器作为光源，确保激光光束稳定且
单一。
2. 单光子计数器：采用高灵敏度的单光子计数器进行实验，确
保精确计数。
3. 光学元件：使用透镜、衰减片和光学干涉器等光学元件，调
节光子的强度和干涉效果。
实验步骤：
1. 调节激光器：调节激光器输出的功率和波长，使其适合单光
子计数实验需求。
2. 调节干涉器：使用干涉器将激光光束分成两个部分，并调节
路径差实现干涉效果。
3. 单光子计数：将干涉后的光束引导到单光子计数器中，进行
单光子计数实验。
4. 记录数据：记录单光子计数器输出的计数率，并观察计数率
随光强、干涉效果的变化。
结果与讨论：
我们进行了一系列的单光子计数实验，并记录了不同条件下的
计数率。
实验结果显示，在光子强度适中和干涉效果良好的情况下，。
06 单光子计数 实验报告
近代物理实验报告指导教师：得分：实验时间： 2009 年 MM 月 DD 日，第 WW 周，周 DD ，第 5-8 节实验者：班级材料0705 学号 200767025 姓名童凌炜同组者：班级材料0705 学号 2007670 姓名车宏龙实验地点：综合楼506实验条件：室内温度℃，相对湿度 %，室内气压实验题目：单光子计数实验实验仪器：（注明规格和型号）CR125型光电倍增管，电子放大系统，光源系统（高亮度发光二极管），制冷系统，计算机系统实验目的：1.了解一些微弱光信号测量的基本思想和方法。
2.了解光电倍增管应用中的一些主要问题。
3.掌握单光子技术的基本原理和技术。
实验原理简述：1.光子流，光强光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为0，有一定能量的粒子。
一个光子的能量为:，若光信号的光子流为R（光子数每秒），光信号的强度P可以表示为：P=RE。
故测量光信号的光强是，只要测得光信号的光子流R，即可得到该信号的强度P。
2.光电倍增管及其弱光输出信号的特征2.1光电倍增管的工作原理及结构光电倍增管是一种噪声小，高增益的光传感器，工作电路如图。
当弱光信号照射到光阴极K上，每个入射光子以一定的概率使光阴极发射一个光电子，这个光电子经倍增系统的倍增，在阳极回路上形成一个电流脉冲，即在R1上建立一个电压脉冲，称为“单光子脉冲”。
如果入射光很弱，入射的光几乎是一个个离散地入射到光阴极上的，则在阳极上得到一系列分立的脉冲信号。
即光电倍增管输出的光电信号是分立的尖脉冲，这些脉冲的平均计数效率与光子的流量成正比。
2.2光电倍增管的光谱响应特性光阴极受特定波长的光照射时，光阴极发射的光电子数与入射光子数之比称为量子效率η，其与入射光波长的关系称为光谱响应特性，与光阴极材料，光窗口材料和倍增极的放大倍数有关。
2.3单光子脉冲设只有一个入射光子，且量子效率为1，这个光子打到光阴极上发出一个电子。
这个光电子经过系统倍增放大后，最终在阳极回路中形成一个电流脉冲，通过负载电阻RL形成一个电压脉冲，这个脉冲称为“单光子脉冲”2.4测量弱光时，光电倍增管输出信号的特征当光源十分微弱时，入射的光子是一个一个离散地入射到光阴极上的，则在阳极输出回路上得到的也是一个一个分离的脉冲信号。
最新单光子计数实验ppt课件
一、实验目的：
1.观察微弱光的光量子现象； 2.研究鉴别电压（阈值）对系统性能的影
响，确定最佳鉴别电压（阈值）； 3.了解光子计数器的信噪比，测试光子计
数器的最低暗计数率和最小可检测光计 数率； 4.学习用光子计数器测量微弱光信号的原 理与技术。
计数率 噪声
计数率 信号
单光子计数器的框图见图5。
在脉冲幅度甄别器里设有一个连续可调的参考电压
Vh。如图6所示，当输入脉冲高度低于Vh时，甄别器无输 出。只有高于Vh的脉冲，甄别器输出一个标准脉冲。如果 把
甄别电平选在图4中的谷点对应的脉冲高度 上，就能去掉大部分噪声脉冲而只有光电子脉 冲通过，从而提高信噪比。脉冲幅度甄别器应 甄别电平稳定；灵敏度高；死时间小、建立时 间短、脉冲对分辨率小于10ns，以保证不漏计。 甄别器输出经过整形的脉冲。
注意事项
测量时，不可打开光路的上盖，以避 免杂散光的影响。
谢谢
将模式改为“时间方式”，将上面测出的域值设置在参 数窗口的域值框中。关闭光源，开始采集数据，得一振荡曲 线，保存数据。
打开保存文本文件，将所有数据复制到Word文档里，制 成表格，再将这些数据复制到Excel文件里，将所需数据求平 均，即得到背景计数Nd。
打开光源开关，转动光源强度调节钮——电流调节旋钮， 给光源某一强度。开始采集数据，得到一条振荡曲线，保存 数据。重复第七步，得总计数Nt。
寄存器 状态
寄存器选择
付工具
工作
在参数设置窗口中设置好各项参数：模式为域值方式， 时间单位为毫秒，采样间隔和积分时间均为1000或1000，高 压为8；
单击工具栏开始按钮，将得到一光源功率对应的光子 数—域值电压的积分曲线，单击数据/图形处理菜单中的微分 命令，找出微分后图形的斜率突变点即域值点的域值电平。
单光子计数
2. 基本上消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增极 的热发射噪声的影响，大大提高测量结果的信噪比。
3. 有比较宽的线性动态范围。 4. 可输出数字信号，适合与计算机接口作数字数据处理。
所以采用了光子计数技术，可以把淹没在背景噪声的 弱光信号提取出来。目前一般的光子计数器探测灵敏 度优于10-17W。这是其它探测方法所不能比拟的。
2.4 光子计数器的组成
图3 单光子计数器的框图
2.5 光电倍增管
图1 光电倍增管的负高压供电及阳极电路
测量弱光时光电倍增管的输出特性：
光电倍增管噪声 脉 冲 计 数 率
单光电子峰
V（甄别电平）
脉冲幅度V
图2 光电倍增管输出脉冲幅度分布（微分）曲线
甄别电压：
图4 甄别器工作示意图
2.6 光子计数器的误差及信噪比
2.1 光子的量子特性
光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零， 有一定能量的粒子。一个光子的能量可用下式确定
E h0 hc
式中c=3.0×108m/s是真空中的光速，h=6.6×1034J.S是普朗克常数。光流强度常用光功率表示，单 位为W。单色光的光功率可用下式表示
p RE
式中R为单位时间通过某一截面的光子数。即只要 测得R，就可得到。
实验仪器：
2.2 用于单光子计数的光电器件：
•光电倍增管(PMT) •雪崩光电二极管（APD） •增强型光电极管 (IPD) •微通道板(MCP) •微球板(MSP) •真空光电二极管(VAPD)
SPCM
2.3 光电倍增管(PMT)的优点
2.4.1 泊松统计噪声
SNR N N Rt
单光子计数实验
图1 光电倍增管的工作原理图 单光子计数实验现代光测量技术已步入极微弱发光分析时代。
在诸如生物微弱发光分析、化学发光分析、发光免疫分析等领域中，辐射光强度极其微弱，要求对所辐射的光子数进行计数检测。
对于一个具有一定光强的光源，若用光电倍增管接收它的光强，如果光源的输出功率及其微弱，相当于每秒钟光源在光电倍增管接收方向发射数百个光子的程度，那么，光电倍增管输出就呈现一系列分立的尖脉冲，脉冲的平均速率与光强成正比，在一定的时间内对光脉冲计数，便可检测到光子流的强度，这种测量光强的方法称为光子计数。
[实验目的]1、了解光电倍增管及光子计数工作原理。
2、掌握GSZF-2A 单光子计数实验系统的操作。
3、了解光子计数在实际工程中的应用。
[实验原理]1．电倍增管的工作原理。
光电倍增管是一个由光阴极、阳极和多个倍增极(亦称打拿极)构成的特殊电子管。
它的前窗对工作在可见光区及近紫外区的用紫外玻璃：而在远紫外区则必须使用石英。
(1)光阴极：光阴极的作用是将光信号转变成电信号，当外来光子照射光阴极时，光阴极便可以产生光电子。
产生电子的多少与照射光的波长及强度有关。
当照射光的波长一定时，光阴极产生光电流的强度正比于照射光的强度，这是光电倍增管测定光强度的基础。
各种不同的光电倍增管具有不同的光谱灵敏度。
目前很少用单一元素制作光阴极，常用的有AgOCs 、Cs3Sb 、BiAgOCs 、Na2KSb 、K2CsSb 等由多元素组成的光阴极材料。
(2)倍增极：倍增极也称打拿极，所用的材料与阴极相同。
倍增极的作用实质上是放大电流，即在受到前一级发出的电子的打击后能放出更多的次级电子。
普通光电倍增管中倍增极的数目，一般为11个，有的可达到20个。
倍增极数目越大，倍增极间的电位降越大，PMT 的放大作用越强。
(3)阳极：大部分由金属网做成，置于最后一级打拿级附近，其作用是接受最后一个倍增极发出的电子。
但接受后，不象倍增极那样再射出电子，而是通导线以电流的形式输出。
单光子计数
单光子计数利用光的粒子性来检测光信号的方法称为光子计数。
当光信号微弱到只有十几个光子到数千个光子的光功率时怎样检测光信号？例如激光测月装置，激光测大气层，远程激光雷达，激光测距等，其光接收机探测到的光子数都非常少，这时用一般的探测光强平均值的方法是根本测不出来的因为灵敏度最高的光电信号其本身的热噪声水平也有10-14W 。
单光子计数把入射到探测器上的一个个的光转成一个个的电像冲，采用 冲高度甄别技术，将不我信号从噪声中提取出来。
目前一般光子计数的探测灵敏度优于10-17W 。
实际上，在我们的实验室里，激光拉曼光谱技术，X 射线衍射中均用到光子计数技术。
一 实验目的1．了解单光子计数的基本组成2．掌握单光子计数的原理，特别是脉冲幅度甄别技术及其在单光子计数中的应用。
3．掌握正确的选择甄别电压幅度对光子计数结果的影响。
二 实验原理1．光子光是由光子组成的光子流。
光子的静止质量为零。
对应于频率v ，光子的能量E p 可表达为J hc hv Ep λ/==（1） 或 eV e hc Ep λ=式中的，planck 常数sec,106.634J h −×=c 为真空中的光速，e 为电子电荷。
作为一个例子，当实验用的入射光波长为600nm 的近单色光，一个光子的能量eV J Ep 2103.319≈×=−光子流量R 定义为单位时间通过某一截面的光子数。
光流强度常用光功率P 表示。
对单色光p E R p ⋅=（2） 若上例中1410−=S R ，则其光功率p 为15194103.3103.310−−×=××=p （瓦）测得光子流量，即可得到光流强度。
由于可见光的光子能量很低，当前对弱光的检测的唯一有效探测器是光电倍增管并配以高增益、低噪声的电子学系统，组成光子计数器。
2．光电倍增管（英文简称PMT ）的结构与工作原理图1 光电倍增管结构一个典型的PMT 结构如图1，其供电原理如图2。
实验八 单光子计数实验
实验八单光子计数实验光子计数也就是光电子计数，即当光流强度小于10−16W时，光的光子流量可降到一毫秒内不到一个光子，因此该实验系统要完成的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．它是微弱光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。
一、实验目的1、介绍这种微弱光的检测技术；了解SGD-2实验系统的构成原理。
2、了解光子计数的基本原理、基本实验技术和弱光检测中的一些主要问题。
3、了解微弱光的概率分布规律。
二、实验原理1、光子光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零、有一定能量的粒子。
与一定的频率υ相对应，一个光子的能量E p可由下式决定：E p=hυ=hc/λ（2－1）式中c=3×108m/s，是真空中的光速；h＝6.6×10－34J·s，是普朗克常数。
例如,实验中所用的光源波长为λ＝500 nm的近单色光，则E p=3.96×10－19J。
光流强度常用光功率P表示，单位为W。
单色光的光功率与光子流量R（单位时间内通过某一截面的光子数目）的关系为：P＝R·E p （2－2）R=10个光子数，对所以，只要能测得光子的流量R，就能得到光流强度。
如果每秒接收到4P=R E ＝104×3.96×10－19＝3.96×10－15W。
应的光功率为p2、测量弱光时光电倍增管输出信号的特征在可见光的探测中，通常利用光子的量子特性，选用光电倍增管作探测器件。
光电倍增管从紫外到近红外都有很高的灵敏度和增益。
当用于非弱光测量时，通常是测量阳极对地的阳极电流(图2－1（a）)，或测量阳极电阻R L上的电压(图2－1（b）)，测得的信号电压（或电流）为连续信号；然而在弱光条件下，阳极回路上形成的是一个个离散的尖脉冲。
实验21 单光子计数实验(已完成)解读
注意事项
1、 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。 2、 保存曲线时，若想将不能曲线比较，应将这些曲
线存在不同寄存器中，否则不能同时打开。
3、 测量时，不可打开光路的上盖。以避免杂散光的影 响。 【注意】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“窄带滤光片”和“衰减滤光片”，以免 进入强光损坏光电倍增管。
图6光电倍增管脉冲高度分布——积分曲线
阑筒
衰减片 光源 功率计
光电倍增管
窄带滤波器
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. 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。 2.约20分钟后，待PV显示值与SV显示相符合后，打开 计算机开始采集数据。 3.开机后，在桌面上打开“单光子计数”文件，将模式项为 “阈值方式”，改变参数。然后点“开始”开始,采集数 据，得到一曲线，取阈值。 4.将模式改为 “时间方式”，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 均，即得到背景计数Nd。
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。
实验目的
（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。
单光子计数实验报告
单光子计数实验报告实验目的：通过单光子计数实验对光子进行计数，测量光的粒子性质，了解和掌握单光子计数的实验原理和方法。
实验原理：单光子计数实验的原理是在放置样品的位置上，加上一个具有很小的孔的反射镜。
样品放在孔的一侧，从另一侧通过激光器照亮样品。
样品中将发生一些光散射，并向照射点反射。
由于激光器照射到样品上的光子数巨大，因此需要在样品的反射镜之后使用一个单光子计数器。
光子在进入单光子计数器之前需要经过一个单光子探测器，在电子探测器中形成电子穴，电子从中释放出来并被放大，最终达到单光子探测器的灵敏度。
使用单光子计数器可以避免通过光子测量获得的一些误差，鉴定近乎真实的光子数。
实验过程：首先，需要准备一台单光子计数器，并确定计数器的响应灵敏度。
然后，将样品放置在镜子的一侧，并向其照射激光器。
为了保证单光子计数实验的精度，需要将样品用一定的方式旋转，使得所有光子都可以被测量。
在样品的反射镜后安装单光子探测器，通过计算单光子计数器的电荷输出来测量光子的数量。
实验结果：在实验中，我们对运用单光子计数法测量光子数进行了研究。
结果显示，当光子数量增加时，光子测量出现了一些误差。
通过调整激光器、反射镜、单光子探测器等设备的参数，可以有效地减少光子误差的发生。
结论：单光子计数实验是一种非常有趣且有用的物理实验。
通过这种实验，我们可以对光子的粒子性质进行非常精确的测量，这对探讨光的粒子性质具有十分重要的意义。
实验中还需要严格控制实验参数，并针对实验室环境进行相应的优化，以保证测量结果的准确性。
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高压电源
制冷器 光电倍增管
温度指示
光阑筒
衰减片
窄带滤波器
放大器
甄别器
计算机
示波器
图7 光路图
光源
功率计
4、实验内容 1.用示波器观测光电倍增管阳极输出和甄
别器输出的脉冲特征做比较。 2.测量光电倍增管输出脉冲幅度分布的积
分和微分曲线，确定测量弱光时的最佳 阈值（甄别）电平 。 3.观察不同入射光强光电倍增管的输出波 形分布，推算出相应的光功率 4.用时间方式推出相应的入射光功率
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。
注意事项 1、入射光源强度要保持稳定。 2、光电倍增管要防止入射强光，光阑筒 前至少有窄带滤光片和 一个衰减片。 3、光电倍增管必须经过长时间工作才能 趋于稳定。因此，开机后需要经过充分的 预热时间，至少二十到三十分钟以上，才 能进行实验。 4、仪器箱体的开、关动作要轻，轻开轻 关的还原，以便尽量减少背景光干扰。
二、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
三、单光子计数实验原理
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。
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。
山东师范大学物理实验中心
光子计数也就是光电子计数，是微弱光 （低于10－14W）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。
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。
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。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。
Hale Waihona Puke 3、有比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10 －17W，这是其它探测方法所不能比 拟的。
一、实验目的
（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。
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。
问题思考：
（1）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。 （2）阈值是否随温度的改变而改变？为 什么？ （3）用阈值方式采集数据确定阈值时， 阈值应怎么取值？
实验预习： （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？
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
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 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。