单光子计数实验讲解

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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
来自百度文库
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。
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
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。