单光子计数ppt
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
单光子计数
在天文测光，大气测污、分子生物学、超高分辨率光谱学、非 线性光学等现代科学技术领域中，都涉及极微弱光信息的检测 问题．光子计数技术就是检测弱光信号的一种新技术．现代光 子计数技术的优点是：
(1)有很高的信噪比．基本上消除了光电倍增管的高压直流插 电流和各倍增极的热电子发射形成的暗电流所造成的影响．可 以区分强度有微小差别的信号，测量精度很高．
可降到1 ms内不到1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．光电倍增管输出的信号波形
如图1(a)所示，光阴极上发射出的光电子，经聚焦和加速打到第
一倍增极上，将在第一倍增极上“打出”几倍于入射电子数目的
二次电子．这些二次电子被加速后打到第二倍增极上，……接连 经过几个或十几个倍增极的增殖作用后，电子数目最高可增到1 0 8
(3)脉冲高度甄别器．脉冲高度甄别器有连续可调的阈电平， 称甄别电子．只有当输入脉冲的幅度大于甄别电子时，甄别器才 输出—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4中单光电产峰的下限处．
(4)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．
SN RN N t sN dN N tt N N dd R R 2 tR d
2020/11/25
(3)脉冲堆积效应噪声．分析光子计数器的噪声和计数误差时， 除上述几个重要因外．还应考虑脉冲堆积效应．这是计数率较高 时的主要误差来源． 〔实 验 装 置〕
图6为光子计数系统实验装置示意图． 〔实 验 内 容〕
2020/11/25
图1
2020/11/25
图2
图3
将光电倍增管的阳极输出脉冲接到脉冲高度记录仪器，例如多 道分析器，作脉冲高度分布分析(PHA)，可以得到如图4所示的分 布．光阴极发射的电子(包括光电子和热发射电子)所形成的各脉 冲的幅度近于一致，造成图中的“单光电子峰”．形成这种分布 的原因是：
(1)光阴极发射的电子，包括光电干和热发射电子，都受到了所 有倍增电极的增殖，因 此它们的幅度大致接近． (2)各倍增极的热发射电子经受倍增的次数要比光阴极发射的电子 经受的少．因此前者
子的能量
h c 6 .6 3 1 0 3 6 4 .J 3 s1 0 3 .7 0 m 1 0 8 m s 1 3 .1 6 1 0 1 9 J
光功率为10-16w时，这种近单色光的光子流量
2020/11/25
R31.01 6101016W 19J3.2102s1
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
2020/11/25
4．光子计数器的组成 光子计数器的原理方框图如图4所示，各部分功能和主要要求如 下：
（1）光电倍增管．用于光子计数的光电倍增管必须具有适合于 实验中工作波段光谱响应，要有适当的阴极面积，量子效率高， 暗计效率低，时间响应快，并且光阴极稳定性高．
（2）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（连同其他噪声脉冲)线性放大．
个个离散的尖脉冲( 2020/11/25
tw
~ 10ns
)，见图2(b)．
图3是由示波器观察到的放大后的光电倍增管输出信号波形， 图中横坐标为时间．当光强降到 1 0 16 w左右时，尽管光信号可以 是由一连续发光的光源发出的，而光电倍增管输出的电信号却是 一个一个分离的尖脉冲，光子流量与这些脉冲的平均计数率成正 比．只要用计数的方法测出单位时间内的光电子脉冲数，就相当 于检测了光的强度． 3．单光电子峰
(2)暗计数噪声．由于光电倍增管的光阴极和各倍增极有热电子 发射．即使入射光强为零时，还有暗计数，电称本底计数．
光子计数器可以采用扣除本底计数的工作方式，即在两个相等 的时间间隔t内，分别测 量本底计数Nd和信号与本底的总计数Nt，设信号计数为Ns，则
N sN tN dRt;
Nd Rdt.
为光阴极量子效率，R d 为无光照时测得的计数率，即暗计数率． 测量结果的信噪比SNR为
题．
〔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h，单h个c光子的能量与光波频率的关系是
(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 流间量内R的通关过系的是光：能量，用P光 R功率P表示．单色光的光功长为630nm的近单色光，可以计算出这种光
最后由阳极收集所有的电子，在阳极回路中形成一个电脉冲信
号．如图1(b)所示，脉冲宽度 t w 与光电倍增管的时间特性以及阳 极回路的时间常数R L C 有关．
在非弱光测量中，由于光子流量较大，测得的光电倍增管输出信
号为连续信号．见图2（a）．而在测量弱光时，光子流量很小，
相邻两光子间的时间间隔可达毫秒量级，阳极回路中输出的是一
(2)抗漂移性很好．在光子计数测量系统中，光电倍增管增益 的变化，零点漂移和其他不稳定因素对计数影响不大，所以时 间稳定性好．
(3)有比较宽的线性动态范围，最大计数率可达106s-1． (4)测量数据以数字显示，并可以数字信号形式直接输出给计 算机进行分析处理． 〔实验目的〕
2020/11/25
(1)学习光子计数技术的基本实验方法； (2)通过实验了解光子计数方法和弱光检测中的一些特殊问
(1)观察暗计数率与光电倍增管的工作电压及工作温度的关 系．
(2)确定光电倍增管最佳工作电压． (3)确定光子计数器的线性动态范围． (4)研究测量时间间隔t与信噪比SNR的关系． (5)研究白炽光源的光电子脉冲计数的统计特性． (6)研究光电倍增管脉冲堆积效应对测量结果的影响(叙述从 略)．
2020/11/25
5．光子计数器的曝声和信噪比
光子计数器的噪声来源主要为光子发射的统汁涨落．光阴极 和倍增极的热电子发射和脉冲堆积效应等．
2020/11/25
(1)统计涨落噪声．就热光源来说．在发光时各原于是相互独立的， 相继的两个光子打到光阴极上的时间间隔是随机的．按照统计规 律在一定的时间间隔t内发出的光子数服从泊松分布．
在天文测光，大气测污、分子生物学、超高分辨率光谱学、非 线性光学等现代科学技术领域中，都涉及极微弱光信息的检测 问题．光子计数技术就是检测弱光信号的一种新技术．现代光 子计数技术的优点是：
(1)有很高的信噪比．基本上消除了光电倍增管的高压直流插 电流和各倍增极的热电子发射形成的暗电流所造成的影响．可 以区分强度有微小差别的信号，测量精度很高．
可降到1 ms内不到1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．光电倍增管输出的信号波形
如图1(a)所示，光阴极上发射出的光电子，经聚焦和加速打到第
一倍增极上，将在第一倍增极上“打出”几倍于入射电子数目的
二次电子．这些二次电子被加速后打到第二倍增极上，……接连 经过几个或十几个倍增极的增殖作用后，电子数目最高可增到1 0 8
(3)脉冲高度甄别器．脉冲高度甄别器有连续可调的阈电平， 称甄别电子．只有当输入脉冲的幅度大于甄别电子时，甄别器才 输出—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4中单光电产峰的下限处．
(4)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．
SN RN N t sN dN N tt N N dd R R 2 tR d
2020/11/25
(3)脉冲堆积效应噪声．分析光子计数器的噪声和计数误差时， 除上述几个重要因外．还应考虑脉冲堆积效应．这是计数率较高 时的主要误差来源． 〔实 验 装 置〕
图6为光子计数系统实验装置示意图． 〔实 验 内 容〕
2020/11/25
图1
2020/11/25
图2
图3
将光电倍增管的阳极输出脉冲接到脉冲高度记录仪器，例如多 道分析器，作脉冲高度分布分析(PHA)，可以得到如图4所示的分 布．光阴极发射的电子(包括光电子和热发射电子)所形成的各脉 冲的幅度近于一致，造成图中的“单光电子峰”．形成这种分布 的原因是：
(1)光阴极发射的电子，包括光电干和热发射电子，都受到了所 有倍增电极的增殖，因 此它们的幅度大致接近． (2)各倍增极的热发射电子经受倍增的次数要比光阴极发射的电子 经受的少．因此前者
子的能量
h c 6 .6 3 1 0 3 6 4 .J 3 s1 0 3 .7 0 m 1 0 8 m s 1 3 .1 6 1 0 1 9 J
光功率为10-16w时，这种近单色光的光子流量
2020/11/25
R31.01 6101016W 19J3.2102s1
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
2020/11/25
4．光子计数器的组成 光子计数器的原理方框图如图4所示，各部分功能和主要要求如 下：
（1）光电倍增管．用于光子计数的光电倍增管必须具有适合于 实验中工作波段光谱响应，要有适当的阴极面积，量子效率高， 暗计效率低，时间响应快，并且光阴极稳定性高．
（2）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（连同其他噪声脉冲)线性放大．
个个离散的尖脉冲( 2020/11/25
tw
~ 10ns
)，见图2(b)．
图3是由示波器观察到的放大后的光电倍增管输出信号波形， 图中横坐标为时间．当光强降到 1 0 16 w左右时，尽管光信号可以 是由一连续发光的光源发出的，而光电倍增管输出的电信号却是 一个一个分离的尖脉冲，光子流量与这些脉冲的平均计数率成正 比．只要用计数的方法测出单位时间内的光电子脉冲数，就相当 于检测了光的强度． 3．单光电子峰
(2)暗计数噪声．由于光电倍增管的光阴极和各倍增极有热电子 发射．即使入射光强为零时，还有暗计数，电称本底计数．
光子计数器可以采用扣除本底计数的工作方式，即在两个相等 的时间间隔t内，分别测 量本底计数Nd和信号与本底的总计数Nt，设信号计数为Ns，则
N sN tN dRt;
Nd Rdt.
为光阴极量子效率，R d 为无光照时测得的计数率，即暗计数率． 测量结果的信噪比SNR为
题．
〔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h，单h个c光子的能量与光波频率的关系是
(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 流间量内R的通关过系的是光：能量，用P光 R功率P表示．单色光的光功长为630nm的近单色光，可以计算出这种光
最后由阳极收集所有的电子，在阳极回路中形成一个电脉冲信
号．如图1(b)所示，脉冲宽度 t w 与光电倍增管的时间特性以及阳 极回路的时间常数R L C 有关．
在非弱光测量中，由于光子流量较大，测得的光电倍增管输出信
号为连续信号．见图2（a）．而在测量弱光时，光子流量很小，
相邻两光子间的时间间隔可达毫秒量级，阳极回路中输出的是一
(2)抗漂移性很好．在光子计数测量系统中，光电倍增管增益 的变化，零点漂移和其他不稳定因素对计数影响不大，所以时 间稳定性好．
(3)有比较宽的线性动态范围，最大计数率可达106s-1． (4)测量数据以数字显示，并可以数字信号形式直接输出给计 算机进行分析处理． 〔实验目的〕
2020/11/25
(1)学习光子计数技术的基本实验方法； (2)通过实验了解光子计数方法和弱光检测中的一些特殊问
(1)观察暗计数率与光电倍增管的工作电压及工作温度的关 系．
(2)确定光电倍增管最佳工作电压． (3)确定光子计数器的线性动态范围． (4)研究测量时间间隔t与信噪比SNR的关系． (5)研究白炽光源的光电子脉冲计数的统计特性． (6)研究光电倍增管脉冲堆积效应对测量结果的影响(叙述从 略)．
2020/11/25
5．光子计数器的曝声和信噪比
光子计数器的噪声来源主要为光子发射的统汁涨落．光阴极 和倍增极的热电子发射和脉冲堆积效应等．
2020/11/25
(1)统计涨落噪声．就热光源来说．在发光时各原于是相互独立的， 相继的两个光子打到光阴极上的时间间隔是随机的．按照统计规 律在一定的时间间隔t内发出的光子数服从泊松分布．