光子计数技术
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单光子探测技术应用： 高分辨率的光谱测量、 非破坏性物质分析、高速现象检测、 精密分析、大气测污、生物发光、 放射探测、高能物理、天文测光、 量子密钥分发系统等领域。
单光子探测器在高技术领域具有重要地位，成为各国光 电子学界重点研究的课题之一 。
4
这种技术和模拟检测技术相比有如下优点： ●测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它
9
APD单光子计数具有量子效率高、功耗低、工作频谱范 围大、体积小、工作电压较低等优点。 但是同时也有增益低、噪声大，外围控制电路及热电制 冷电路较复杂等缺点。
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3、真空雪崩光电二极管（VAPD）
针对PMT和APD的缺点，目前开发出一种真空雪崩光电二 极管（VAPD）单光子探测器，它是由光阴极和一个具有大 光敏区面积的半导体硅APD组成。 光阴极和APD之间保持高真空态，光子信号打到光阴极上， 产生光电子，这些光电子在高压电场的作用下加速，然后再 打到APD上。 对于硅APD，这些光电子的能量约为硅禁带能量的2000倍， 这样一个光电子就能产生大于2000对的电子空穴对。在 VAPD中，Si-APD的典型增益为500倍，因而VAPD的增益可 以达到106倍。
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VAPD单光子探测器是一种PMT和APD相结合的产物， 具有许多PMT和APD无法比拟的优点。 其主要特点有：低噪声、动态范围大、分辨率高、抗磁 干扰能力强、探测光谱范围宽等特点。
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三、单光子探测器的现状及其发展
对于可见光探测，光电倍增管有很好的响应度，暗电流 也非常小，很早就用于单光子计数，现在技术已经比较成 熟，市场上也有了不少类似的产品。 随着人们对红外光研究的不断深入，特别是近年来量子 通信技术、量子密码术的研究不断引起各国的重视，对红 外通信波段（850nm、1310nm和1550nm）单光子探测器 的研究尤为迫切。 光电倍增管却显得无能为力，即使是最好的红外光阴极Si阴极，光谱响应到1050nm就已经截止了，仅这一点就排 除了光电倍增管在红外通信波段的应用。
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1.光电倍增管（PMT）单光子探测器
单光子探测需要的光电倍增管要求增益高、暗电流小、 噪声低、时间分辨率高、量子效率高、较小的上升和下 降时间。 特点： 具有高的增益（104～107）； 大光敏面积； 低噪声等效功率（NEP）； 体积庞大、量子效率低下、反向偏压高； 仅能够工作在UV和可见光谱范围内； 抗外部磁场能力较差。
不稳定因素的影响较小； ●消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量
结果的信噪比； ●有比较宽的线性动态区； ●输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字数据处
理。
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二、单光子计数的光电器件
可用来作为单光子计数的光电器件有许多种， 光电倍增管（PMT）、 雪崩光电二极管（APD）、 增强型光电二极管（IPD）、 微通道板（MCP）、 微球板（MSP） 真空光电二极管（VAPD）
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目前对单光子探测器将主要从两个方面去研究 一方面，研制和开发有高灵敏度新型结构的光探测器； 另一方面，研究和改进探测器的外围控制驱动技术，利 用现有的探测器进行单光子探测。
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四、PMT单光子计数器的组成
PMT
制
高
冷
压
器
源
放大器
鉴别器
计数器A
计数率RBБайду номын сангаас时钟
控 制
计数器B
显示
启 动
单光子计数器由光电倍增管（PMT），前置放大器， 幅度鉴别器和计数器构成。 高压电源来是PMT正常工作；PMT必须配备制冷器以 减少阴极的热电子发射。
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2、雪崩光电二极管（APD）
雪崩光电二极管不同于光电倍增管，它是一种建立在内光 电效应基础上的光电器件。 雪崩光电二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可 以产生10~100对光生电子空穴对，从而能够在器件内部产生 很大的增益。
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目前应用的APD主要有三种，即 Si-APD、Ge-APD和InGaAs-APD。它们分别对应不同 的波长。 Si-APD主要工作在400nm～1100nm， Ge-APD在800nm～1550nm， InGaAs-APD则在900nm～1700nm。 已经有了相关的报道：在光通信三个波段（即850nm、 1310nm和1550nm）的单光子探测器用于量子密钥系统。
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在850nm波段，考虑到光电倍增管工作电压很高和使用维 护的复杂程度，在实际应用中人们还是选用Si-APD雪崩光 电二极管。 现在对Si的研究已经趋于成熟，Si-APD也已经有了比较 好的制造工艺。国外已经有公司开发出了专门针对850nm 单光子探测的商用Si-APD。 在1310nm和1550nm波段， Si-APD已经不能用于进行单 光子探测了，一般选用InGaAs-APD，但由于制造工艺的 问题，目前还没有专门针对单光子探测的商用InGaAsAPD。目前对这两个波段的单光子探测一般都是关于利用 现有针对光纤通信的商用APD，通过优化外围驱动电路， 改善工作环境，使其达到单光子探测的目的。
光子计数器
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光子计数器
1 概述 2 光电倍增管及偏置电路与接地方式 3 光子计数过程中的噪声 4 光子计数器中的放大器 5 光子计数器测量弱光的上限 6 光子计数器中的鉴别器 7 光电倍增管的单光子响应峰 8 光电倍增管的计数坪区——最佳偏压的选择
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1 概述
一、单光子计数技术 利用弱光照射下光电探测器输出电信号自然离散的特点， 采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其微弱的信号识别并 提取出来。 单光子计数探测技术是一种极微弱光探测法。 它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的 热噪声水平（10-14W）还要低，用通常的直流检测方法不能 把这种湮没在噪声中的信号提取出来。
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PMT单光子计数系统工作原理
PMT接受光辐射； 阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出； 经过放大器信号放大后送到鉴别器； 鉴别器通过设置第一鉴别电平和第二鉴别电平来减少暗 电流和干扰； 计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。
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2 光电倍增管及偏置电路与接地方式
光电倍增管是光子计数器的核心部体，它将接收到的一 个一个光子转变为电脉冲信号。 要使光电倍增管正常工作，必须配备致冷器和高压电源。 并不是所有的光电倍增管都适于制作光子计数器。对用 于光子计数器的光电倍增管有一些特殊的要求。
单光子探测技术应用： 高分辨率的光谱测量、 非破坏性物质分析、高速现象检测、 精密分析、大气测污、生物发光、 放射探测、高能物理、天文测光、 量子密钥分发系统等领域。
单光子探测器在高技术领域具有重要地位，成为各国光 电子学界重点研究的课题之一 。
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这种技术和模拟检测技术相比有如下优点： ●测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它
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APD单光子计数具有量子效率高、功耗低、工作频谱范 围大、体积小、工作电压较低等优点。 但是同时也有增益低、噪声大，外围控制电路及热电制 冷电路较复杂等缺点。
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3、真空雪崩光电二极管（VAPD）
针对PMT和APD的缺点，目前开发出一种真空雪崩光电二 极管（VAPD）单光子探测器，它是由光阴极和一个具有大 光敏区面积的半导体硅APD组成。 光阴极和APD之间保持高真空态，光子信号打到光阴极上， 产生光电子，这些光电子在高压电场的作用下加速，然后再 打到APD上。 对于硅APD，这些光电子的能量约为硅禁带能量的2000倍， 这样一个光电子就能产生大于2000对的电子空穴对。在 VAPD中，Si-APD的典型增益为500倍，因而VAPD的增益可 以达到106倍。
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VAPD单光子探测器是一种PMT和APD相结合的产物， 具有许多PMT和APD无法比拟的优点。 其主要特点有：低噪声、动态范围大、分辨率高、抗磁 干扰能力强、探测光谱范围宽等特点。
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三、单光子探测器的现状及其发展
对于可见光探测，光电倍增管有很好的响应度，暗电流 也非常小，很早就用于单光子计数，现在技术已经比较成 熟，市场上也有了不少类似的产品。 随着人们对红外光研究的不断深入，特别是近年来量子 通信技术、量子密码术的研究不断引起各国的重视，对红 外通信波段（850nm、1310nm和1550nm）单光子探测器 的研究尤为迫切。 光电倍增管却显得无能为力，即使是最好的红外光阴极Si阴极，光谱响应到1050nm就已经截止了，仅这一点就排 除了光电倍增管在红外通信波段的应用。
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1.光电倍增管（PMT）单光子探测器
单光子探测需要的光电倍增管要求增益高、暗电流小、 噪声低、时间分辨率高、量子效率高、较小的上升和下 降时间。 特点： 具有高的增益（104～107）； 大光敏面积； 低噪声等效功率（NEP）； 体积庞大、量子效率低下、反向偏压高； 仅能够工作在UV和可见光谱范围内； 抗外部磁场能力较差。
不稳定因素的影响较小； ●消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量
结果的信噪比； ●有比较宽的线性动态区； ●输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字数据处
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二、单光子计数的光电器件
可用来作为单光子计数的光电器件有许多种， 光电倍增管（PMT）、 雪崩光电二极管（APD）、 增强型光电二极管（IPD）、 微通道板（MCP）、 微球板（MSP） 真空光电二极管（VAPD）
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目前对单光子探测器将主要从两个方面去研究 一方面，研制和开发有高灵敏度新型结构的光探测器； 另一方面，研究和改进探测器的外围控制驱动技术，利 用现有的探测器进行单光子探测。
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四、PMT单光子计数器的组成
PMT
制
高
冷
压
器
源
放大器
鉴别器
计数器A
计数率RBБайду номын сангаас时钟
控 制
计数器B
显示
启 动
单光子计数器由光电倍增管（PMT），前置放大器， 幅度鉴别器和计数器构成。 高压电源来是PMT正常工作；PMT必须配备制冷器以 减少阴极的热电子发射。
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2、雪崩光电二极管（APD）
雪崩光电二极管不同于光电倍增管，它是一种建立在内光 电效应基础上的光电器件。 雪崩光电二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可 以产生10~100对光生电子空穴对，从而能够在器件内部产生 很大的增益。
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目前应用的APD主要有三种，即 Si-APD、Ge-APD和InGaAs-APD。它们分别对应不同 的波长。 Si-APD主要工作在400nm～1100nm， Ge-APD在800nm～1550nm， InGaAs-APD则在900nm～1700nm。 已经有了相关的报道：在光通信三个波段（即850nm、 1310nm和1550nm）的单光子探测器用于量子密钥系统。
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在850nm波段，考虑到光电倍增管工作电压很高和使用维 护的复杂程度，在实际应用中人们还是选用Si-APD雪崩光 电二极管。 现在对Si的研究已经趋于成熟，Si-APD也已经有了比较 好的制造工艺。国外已经有公司开发出了专门针对850nm 单光子探测的商用Si-APD。 在1310nm和1550nm波段， Si-APD已经不能用于进行单 光子探测了，一般选用InGaAs-APD，但由于制造工艺的 问题，目前还没有专门针对单光子探测的商用InGaAsAPD。目前对这两个波段的单光子探测一般都是关于利用 现有针对光纤通信的商用APD，通过优化外围驱动电路， 改善工作环境，使其达到单光子探测的目的。
光子计数器
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光子计数器
1 概述 2 光电倍增管及偏置电路与接地方式 3 光子计数过程中的噪声 4 光子计数器中的放大器 5 光子计数器测量弱光的上限 6 光子计数器中的鉴别器 7 光电倍增管的单光子响应峰 8 光电倍增管的计数坪区——最佳偏压的选择
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1 概述
一、单光子计数技术 利用弱光照射下光电探测器输出电信号自然离散的特点， 采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其微弱的信号识别并 提取出来。 单光子计数探测技术是一种极微弱光探测法。 它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的 热噪声水平（10-14W）还要低，用通常的直流检测方法不能 把这种湮没在噪声中的信号提取出来。
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PMT单光子计数系统工作原理
PMT接受光辐射； 阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出； 经过放大器信号放大后送到鉴别器； 鉴别器通过设置第一鉴别电平和第二鉴别电平来减少暗 电流和干扰； 计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。
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2 光电倍增管及偏置电路与接地方式
光电倍增管是光子计数器的核心部体，它将接收到的一 个一个光子转变为电脉冲信号。 要使光电倍增管正常工作，必须配备致冷器和高压电源。 并不是所有的光电倍增管都适于制作光子计数器。对用 于光子计数器的光电倍增管有一些特殊的要求。