单光子试验

⑶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压--甄 别电平Vh。
如图所示，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。
⑷计数器（定标wenku.baidu.com）
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。
四、光子计数器的误差及信噪比
实验4
单光子计数实验
黄豪 电科091 09461113
目录
1.实验目的 2.实验原理 3.实验器材 4.实验内容 5.实验结果 6.注意事项
实验目的
• （1）熟悉弱光检测技术。 • （2）了解光子计数方法的基本原理基本实 验技术和弱光检测中的一些主要问题。
实验原理
• 一、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v相对应，一个 光子的能量Ep可表示为 • Ep=hv=hc/λ
如果入射光很弱，入射的光子流是一个一个离散地 入射到光阴极上，则在阳极回路上得到一系列分立 的脉冲信号。
图为光电倍增管阳极回路输出脉冲计数率ΔR随脉冲 幅度大小的分布。曲线表示脉冲幅度在V~(V+ΔV) 之间的脉冲计数率ΔR与脉冲幅度V的关系，它与曲 线(ΔR/ΔV)~V有相同的形式。因此在ΔV取值很小 时，这种幅度分布曲线称为脉冲幅度分布的微分曲 线。
• 式中c=3×10^8m/s是真空中的光速；
h=6.6×10^-34J·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·Ep • 所以，只要能测量到光子的流量R，即可得到光流 强度。
二.测量弱光时光电倍增管输出信号的特征
当弱光信号照射到光阴 极上时，每个入射的光 子以一定的概率（即量 子效率）使光阴极发射 一个光电子。这个光电 子经倍增系统的倍增， 在阳极回路中形成一个 电流脉冲，即在负载电 阻RL上建立一个电压脉 冲，这个脉冲称为“单 光电子脉冲”。
脉冲的宽度tw取决于光电倍增管的时间特 性和阳极回路的时间常数RLC0，其中C0为阳 极回路的分布电容和放大器的输入电容之和。 性能良好的光电倍增管有较小的渡越时间 分散，即从光阴极发射的电子经倍增极倍增 后的电子到达阳极的时间差较小。若设法使 时间常数较小则单光电子脉冲宽度tw减小到 10~30ns。
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有光情况：将盖子旋紧 模式：阈值方式 数值范围：40~48 最大值：10000 最小值：0 采集参数 时间单位：毫秒 采样间隔：1000 积分时间：1000 高压：4~8 分别存在寄存器1~5内 阈值40冷却温度：4.0度
实验结果
⑶累积信噪比
当用扣除背景计数或同步数字检测工作方式时， 在两个相同的时间间隔t内，分别测量背景计数（包 括暗计数和杂散光计数）Nd和信号与背景的总计数 Nt。
⑷脉冲堆积效应
光电倍增管具有一定的分辨时间tR。当在分辨时间tR 内相继有两个或两个以上的光子入射到光阴极时 （假定量子效率为1），由于它们的时间间隔小于 tR，光电倍增管只能输出一个脉冲，因此，光电子 脉冲的输出计数率比单位时间入射到光阴极上的光 子数要少；另一方面，电子学系统（主要是甄别器） 有一定的死时间td，在td内输入时，甄别器输出计数 率也要受到损失。以上现象统称为脉冲堆积效应。
三.光子计数器的组成
⑴光电倍增管 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。 对光子计数器中所用的光电倍增管的主要 要求有： 光谱响应适合于所用的工作波段；暗电流 要小（它决定管子的探测灵敏度）；响应速 度快、后续脉冲效应小及光阴极稳定性高。
⑵放大器 放大器的功能是把光电倍增管阳极回路输出 的光电子脉冲和其它的噪声脉冲线性放大，因 而放大器的设计要有利于光电子脉冲的形成和 传输。 对放大器的主要要求有：有一定的增益；上 升时间tr≤3ns，即放大器的通频带宽达 100MHz；有较宽的线性动态范围及噪声系数 要低。
实验器材
SGD-1型单光子计数器
实验内容
（1）准备工作 按图接好线后，把USB连接线连接到计算机 和仪器上，在进行软件安装。 （2）安装完毕后，双击“SGD-1”程序组，进 入界面，顺序进行单光子计数实验。 （3）实验分两种情况：一是有光情况，二则 是无光情况 有光情况：将盖子旋转至即将掉下时（幕布 依旧盖上）
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RL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。 为此，我们必须研究在弱光条件下光电倍增管的输 出信号特征。
测量弱光信号最关心的是探测信噪比（能测到的信 号与测量中各种噪声的比）。因此，必须分析光子 计数系统中各种噪声的来源。
⑴泊松统计噪声
用光电倍增管探测热光源发射的光子，相邻的光子打 到光阴极上的时间间隔是随机的，对于大量粒子的统 计结果服从泊松分布。
⑵暗计数
实际上，光电倍增管的光阴极和各倍增极还有热电子 发射，即在没有入射光时，还有暗计数（亦称背景计 数）。虽然可以用降低管子的工作温度、选用小面积 光阴极以及选择最佳的甄别电平等使暗计数率Rd降到 最小，但相对于极微弱的光信号，仍是一个不可忽视 的噪声来源。