应用光子学和生物医学光子学讲义

目 录

应用光子学基础

实验一 用自准法测薄透镜焦距 (1)

实验二 自组显微镜 (4)

实验三 自组望远镜 (7)

实验四 偏振光分析 (10)

实验五 阿贝成像原理和空间滤波 (14)

生物医学光子学基础

实验六 单光子计数与弱光检测 (17)

实验七 荧光显微镜原理与使用 (23)

实验八 拉曼光谱实验讲义 (27)

实验九 光镊与光阱PN力的测量 (34)

实验十 光谱仪与生物应用 (40)

实验十一 双积分球系统测量组织光学参数 (45)

实验十二 光学相干层析成像系统实验讲义 (52)

实验十三 散斑显微成像系统 (59)

实验十四 Nd:YAG激光器及其医学应用 (65)

附录：生物医学光学实验室的一般规则 (69)

实验六 单光子计数与弱光检测

一. 实验目的

理解光子计数器方法的基本原理，掌握单光子计用于弱光检测的基本实验方法。

二. 背景知识

随着生物医学、光纤通信以及环境辐射监测技术的发展，对微弱光检测的要求越来越高。因此光极限领域的检测技术，已成为解析更加高深现象的重要手段。单光子计数系统在高分辨率光谱测量、散射光的测量、非破坏性物质分析、高速现象检测、环保检测、精密分析、大气测污、生物发光、光子研究、色度光度、生化仪器、激光计测、工业在线、放射探测、核医学装置、高能物理、高灵敏度探测、对月测距、天文测光等领域有着特殊的作用。另一方面，人们在光电检测中常常遇到待测信号被噪声淹没的情况，例如，对于空间物体检测，常常伴随着强烈的背景辐射，即使是对较强的光信号，为了提高信号抗干扰能力、实现精确的检测，也都需要从噪声中提取、恢复和增强被测信号的技术措施。所以无论是工程应用方面还是信号变换技巧方面，弱光的探测都是非常重要的。

单光子技术是一门崭新的、鲜为人知的技术，虽然当前还处于兴起、发展阶段但在本世纪必将会有重大创新和迅速崛起。

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。与锁定放大器等模拟检测技术相比，它基本消除了光电倍增管高压直流漏电和各倍增极热噪声的影响，提高了信噪比；受光电倍增管漂移，系统增益变化的影响较小；有比较宽的线性动态范围；它输出的是脉冲信号，不用经过A/D 变换，可直接送到计算机处理。

采用单光子计数技术，可以把淹没在背景噪声中的弱光信息提取出来。目前一般的光子

计数器的探测灵敏度优于10－17 w ，这是其它探测方法所不能比拟的。

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γ的关系是

hc h =εγλ＝ （1-1）

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，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=R ε （1-2）

在本次试验中使用的是波长λ＝500nm 的单色光，其光子能量ε为：

34819hc 76.610310410J 510

λε−−−×××===×× 式中h ＝6.6*10-34 J*s 为普朗克常数，c 为光速。

2. 光子计数器的组成

光子计数器的原理方框图如图6-1所示，各部分的功能和主要要求如下：

1）光源 用高亮度发光二极管作为光源，波长中心500nm ，带宽60nm 。为了提高入射光的单色性，该仪器配有窄带滤光片，带宽为36nm 。

2）光路 实验系统的光路如图6－2所示：

为了减少杂散光的影响和降低背景计数，在光电倍增管之前设置了一个光阑筒，内设光阑三片。另外在筒的另一端有用来连接减光片的螺纹接口，可根据实验需要放置减光片，窄带滤光片。本系统配有减光片5组，窄带滤光片一块，参数如下：

名称

透过率 备注 窄带滤光片 88

％ 中心波长

500nm AB 2 2 ％

AB 5 5 ％

AB 10

10 ％ 半反半透镜 35 %

3）探测器 探测器采用的是光电倍增管。它必须具有适合于实验中工作波段的光谱响应，要有适当的阴极面积，量子效率高，暗计数率低，时间响应快，并且光阴极的稳定性高。为了获得较高的稳定性，除尽量采用光阴极面积小的管子外，还采用致冷技术来降低管子的环境温度，以减少各倍增极的热电子发射。试验采用半导体致冷器和水循环制冷器相结合的办法来达到降温的目的，使用中可根据具体需要选用。

光电倍增管的工作原理是，当弱光照射到光阴极时，每个入射光子以一定的概率（即量光阑

减光片

图6－1 光子计数器方框图

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，还有各倍增极的热发射电子在阳极回路中形成的热发射噪声脉冲。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发射形成的脉冲。噪声脉冲和光电子脉冲的幅度的分布如图6－3所示。脉冲幅度较小的主要是热发射噪声信号，而光阴极发射的电子（包括光电子和热发射电子）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V h的脉冲抑制掉。只让幅度高于V h的脉冲通过就能实现单光子计数。

4）放大器放大器的作用是将光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲(连问其他噪声脉冲)线性地放大。放大器的增益可根据单光电子脉冲的高度和甄别器甄别电平的范围来选定。例如本实验采用的甄别电平（也称为阈值电平）为0～2.56V（10mV/档，可调）。

另外还要求放大器具有较宽的线性动态范围，上升时间＜3ns (即通频带宽度达到100MHz)，噪声系数小，暗电流小（它直接关系到管子的探测灵敏度）等等。光电倍增管与放大器的连线应尽量短，以减少分布电容，有利于光电脉冲的形成与传输。

5）脉冲高度甄别器脉冲高度甄别器有连续可调的阈值电平，称甄别电平。只有当输入脉冲的幅度大于甄别电平时，甄别器才输出一个有一定幅度和形状的标准脉冲。在用于光子计数时，可以将甄别电平调节到图6-3 中单光电子峰的第一个波谷处。这时各倍增极所引起的热噪声脉冲因小于甄别电平而不能通过。经甄别器后只有光阴极形成的光电子脉冲和热电子脉冲的输出。对甄别器的要求是甄别电平稳定，灵敏度高，死时间小（死时间是指一个电脉冲触发甄别器的输入端以后，在它恢复原状并能接受后续脉冲所需的时间），用于光子计数的甄别器的死时间要求小于10n s，以保证不漏计。

图6－3

光电倍增管阳极输出脉冲幅度速率分布

6）计数器计数器(或称定标器)的作用是将甄别器输出的脉冲累计起来并予以显示。用于光子计数的计数器要满足高计数率的要求，即要能够分辨时问间隔为10n s的两个脉冲，因此相应的计数率为100MHz。不过当光子计数器用于微弱光的测量时，它的计数率一般很低。这部分还有控制计数时间（积分时间）的功能。

3.单光电子峰

光电倍增管和鉴别器阈值可以用实验获得的脉冲高度分布图来选择决定。图6－3是一个典型光电倍增管及放大器响应脉冲高度—速率分布图。鉴别器阈值（水平轴）从低电平到