中北大学单光子计数电路设计
单光子计数
单光子计数1、实验目的1）了解单光子计数工作原理。
2）了解单光子计数器的主要性能，掌握其基本操作方法。
3）了解用单光子计数系统探测微弱光信号的方法。
2、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ν的关系是ε/λν=h=hc式中c是真空中的光速。
光子流量可用单位时间内通过的光子R表示，光流强度是单位时间内通过的光能量，常用光功率P表示。
单色光的光功率P与光子流量R的关系是：εP=R如果光源发出的是波长为630nm的近单色光，可以计算出一个光子的能量ε为J19ε.3-=10*13当光功率为W1610-时，这种近单色光的光子流量为21=sR.3-19*10当光电流强度小于W1610-时，通常称为弱光，此时可见光的光子流量可降到一毫秒内不到一个光子，因此试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）测量弱光时光电倍增管输出信号的特征光电倍增管在实验1.2中已作介绍，其结构原理如图所示。
当光子入射到光电倍增管的光阴极上时，光阴极吸收光子后将发射出一些光电子，光阴极产生的光电子数与入射到阴极上的光子数之比称为量子效率。
大多数材料的量子效率都在30%以下，也就是说每100个入射光子大约只能记录下30个光电子。
在弱光下光电倍增管输出的光电子脉冲基本上不重叠。
所以光子计数实际上是将光电子产生的脉冲逐个记录下来的一种探测技术。
当然，从统计意义上说也是单光子计数。
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”见图。
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。
《单光子计数实验》课件
对未来研究的建议
01
深入研究单光子计数的物理机制和探测技术，提高探测效率和 准确性。
02
拓展单光子计数实验的应用领域，如生物医学、环境监测、光
学通信等。
加强与其他学科的交叉研究，如物理学、化学、生物学等，以
03
推动单光子计数实验的发展和应用。
THANKS
感谢观看
实验设备
03
电脑、数据采集和处理软件、电源等。
实验过程
调整光学元件
调整反射镜和透镜等光学元件 ，确保激光束准直并聚焦在光 电倍增管上。
调整激光功率
调整激光器的功率，以适应实 验需求。
连接设备
将单光子计数器、激光器、光 学元件和光电倍增管按照实验 要求连接起来。
开始计数
启动单光子计数器，开始记录 每个光子事件。
重复实验
进行多次实验以获取可靠的数 据。
数据处理与分析
数据整理
将实验数据整理成表格或图形形式，便于分析。
数据筛选
剔除异常数据，确保数据质量。
数据分析
利用统计分析方法，对数据进行处理和分析，得出实验结果。
结果解释
根据数据分析结果，解释单光子计数的原理和实验现象。
04
结果与讨论
实验结果
实验数据记录
而在电场的作用下被加速并打在电子计数器上，实现单光子的计数。
03
特点
高灵敏度、低噪声、计数精度高。
激光器
作用
产生单光子源，为实验提供所需的光子。
工作原理
利用激光的相干性，通过调制产生单光子。
特点
高亮度、高相干性、高稳定性。
光路系统
01
02
03
作用
将激光器产生的光子传输 到单光子计数器中。
《单光子计数实验》PPT课件
锁相放
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108 109
3.3×10-11 3.3×10-10
大
4
光子计数器只能测量微弱光和超微弱光的功 率，不能测量功率大于10-10W的光束功
光子
K
A
R1
D1
D2
Dn
率，不能测量含有多光子的光脉冲功率。
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光电倍增管的工作原理如图1所示。它
是一种噪声小、高增益的光电传感器，当弱
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一、实验目的：
1.观察微弱光的光量子现象； 2.研究鉴别电压（阈值）对系统性能的影
响，确定最佳鉴别电压（阈值）； 3.了解光子计数器的信噪比，测试光子计
数器的最低暗计数率和最小可检测光计 数率； 4.学习用光子计数器测量微弱光信号的原 理与技术。
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二、实验原理和仪器结构
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三 实验内容
软件安装后，从“开始”菜单执行 “程序”组中的“GSZF－2A”组，即可启 动GSZF－2A控制处理系统。 工作界面介绍
进入系统后，首先弹出如图13的友好 界面，等待用户单击鼠标或键盘上的任意 键；当接收到鼠标、键盘事件或等待五秒 钟后，马上显示工作界面（如图14）。
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计数器的作用是在规定的测量时间间隔内将
甄别器的输出脉冲累加计数。
2.2 结构
光源:
用高亮度发光二极管作光源，波长
中心500nm，半宽度30nm。为提高入射光
的单色性，仪器准有窄带滤光片，其半
宽度为18nm。
接收器:
接收器采用CR125光电倍增管为接收器。
实验采用半导体致冷器降低光电倍增管
3.4单光子计数
3.4单光⼦计数实验3.4 单光⼦计数⼀、引⾔通常在⼀些基本的科研领域，特别是某些前沿学科，诸如⾼分辨率光谱学、⾮线性光学、拉曼光谱学、表⾯物理学的研究⽅⾯，都会遇到极微弱的光信息（简称弱光）检测问题。
所谓弱光是指光流强度⽐光电倍增管本⾝的热噪声（10-14W）还要低，以致⽤⼀般的直流检验⽅法已经很难从这种噪声中检测出信号。
单光⼦计数是⽬前测量弱光信号最灵敏和最有效的实验⼿段，这种技术中，⼀般都采⽤光电倍增管作为光⼦到电⼦的变换器（近年来，也有⽤微通道管和雪崩光电⼆极管的），通过分辨单个光⼦在光电倍增管中散发出来的光电⼦脉冲，利⽤脉冲⾼度甄别技术和数字计数技术，把光信号从热噪声中以数字化的⽅式提取出来。
与模拟检测技术相⽐，单光⼦计数技术有如下的优点：1.消除了光电倍增管⾼压直流漏电流和各倍增极的热发射噪声的影响，提⾼了测量的信噪⽐。
2.时间稳定性好。
在单光⼦计数系统中，光电倍增管漂移、系统增益的变化，零点漂移和其他因素对计数影响不⼤。
3.可输出数字信号，能够直接输出给计算机进⾏分析处理。
4.有⽐较宽的线性动态范围，最⼤计数率可达106s-1。
5.有很宽的探测灵敏度，⽬前⼀般的光⼦计数器探测灵敏度优于10-17W，这是其他探测⽅法达不到的。
⼆、实验⽬的1. 了解单光⼦计数⼯作原理。
2. 了解单光⼦计数的主要性能，掌握其基本操作⽅法。
3. 了解⽤单光计数系统检测微弱光信号的⽅法。
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ν的关系是ε=hν=hc/λ式中c是真空中的光速，h是普朗克常数，λ是波长。
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，常⽤光功率P表⽰。
单⾊光的光功率P与光⼦流量R的关系是P=Rε如果光源发出的是波长为630nm的近单⾊光，可以计算出⼀个光⼦的能量ε为ε=3.13×10-19J当光功率为P=10-16W时，这种近单⾊光的光⼦流量R为R=3.19×102s-1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可降到⼀毫秒内不到⼀个光⼦。
单光子计数实验报告
单光子计数实验报告单光子计数实验报告引言：单光子计数实验是量子光学中的一项重要实验，它通过对光子进行单个计数，可以研究光子的量子特性和光子的统计规律。
本文将对单光子计数实验进行详细的报告和分析。
实验原理：单光子计数实验的原理基于光子的波粒二象性。
光子既可以被看作是电磁波的粒子性质，也可以被看作是粒子的波动性质。
在实验中，我们使用光子计数器来对光子进行计数。
光子计数器是一种高灵敏度的探测器，可以探测到单个光子的到达，并记录下来。
通过对大量光子的计数，我们可以得到光子的统计规律。
实验步骤：1. 准备实验装置：实验装置包括激光器、光子计数器、光学元件等。
激光器用于产生单光子源，光子计数器用于计数光子的到达，光学元件用于调整光子的路径和干涉等。
2. 调整激光器：首先需要调整激光器，使其产生稳定的激光光束。
激光光束的稳定性对实验结果的准确性有很大影响。
3. 进行单光子计数实验：将激光光束导入光子计数器，并记录下光子的到达时间和数量。
通过对大量光子的计数，可以得到光子的统计规律，例如光子的平均数、光子的分布等。
实验结果：在实验中，我们得到了大量光子的计数数据，并进行了统计分析。
通过分析数据，我们得到了光子的平均数为10个，光子的分布呈正态分布。
这些结果与理论预期相符合，验证了实验的准确性和可靠性。
实验讨论：通过单光子计数实验，我们可以研究光子的量子特性和光子的统计规律。
光子的量子特性包括光子的波粒二象性、光子的纠缠等。
光子的统计规律包括光子的平均数、光子的分布等。
这些研究对于理解量子光学和量子信息科学具有重要意义。
实验应用：单光子计数实验在量子通信、量子计算等领域具有广泛的应用。
在量子通信中，我们可以利用光子的量子特性来实现安全的通信。
在量子计算中，我们可以利用光子的统计规律来进行计算和处理信息。
因此，单光子计数实验在实际应用中具有重要的意义。
结论：通过单光子计数实验，我们可以研究光子的量子特性和光子的统计规律。
单光子计数实验报告
引言：单光子计数实验是现代光子学研究中一项重要的技术手段，可以用于精确测量光子的数量和计数。
本文是对单光子计数实验的进一步探索和研究的报告，主要介绍了实验的设备和方法，以及实验过程中所遇到的问题和解决方法。
通过这些实验数据和分析结果，我们可以对单光子计数实验的原理和应用有更深入的了解，为相关研究和技术应用提供参考。
正文内容：一、实验设备和方法1.实验装置：我们采用了型光子计数器作为主要的实验装置。
该光子计数器具有较高的计数精度和稳定性，可以实现单光子计数和时间分辨测量。
2.实验光源：为了获得单光子信号，我们使用了一台型激光器。
该激光器可以发射高稳定度和窄脉冲宽度的光子，适用于单光子计数实验。
3.实验样品：我们选择了一种具有较高荧光量子效率的荧光物质作为实验样品。
通过调节样品的浓度和吸光度，我们可以控制单光子计数的强度和分布。
4.实验控制系统：为了实现精确控制和数据采集，我们采用了一个先进的实验控制系统。
该系统可以实时监测光子计数器的计数和时间，以及控制实验参数的设置。
二、实验过程和数据分析1.实验准备：在进行实验之前，我们需要对实验装置和控制系统进行校准和调试，确保实验的准确性和可靠性。
3.数据分析：通过对实验数据的分析，我们可以得到单光子计数的数据分布和统计特性。
在数据分析过程中，我们采用了一系列数学方法和统计模型，例如：泊松分布，高斯分布等等。
4.结果验证：为了验证实验结果的可靠性，我们进行了重复实验，并与模拟结果进行对比分析。
通过小概率事件的比较和实验误差的评估，我们可以确定实验的可信度和准确性。
5.实验拓展：在实验过程中，我们遇到了一些问题和挑战，例如：背景光噪声的影响，光子计数器的非线性等。
通过改进实验方法和技术手段，我们不断优化实验流程，并获得了更精确和可靠的实验结果。
三、实验结果和讨论1.单光子计数分布图：我们通过实验数据和分析，得到了单光子计数的分布图。
该分布图呈现出明显的峰值和尾部，符合光子计数的统计特性。
3.4 单光子计数
实验3.4 单光子计数一、引言通常在一些基本的科研领域，特别是某些前沿学科，诸如高分辨率光谱学、非线性光学、拉曼光谱学、表面物理学的研究方面，都会遇到极微弱的光信息（简称弱光）检测问题。
所谓弱光是指光流强度比光电倍增管本身的热噪声（10-14W）还要低，以致用一般的直流检验方法已经很难从这种噪声中检测出信号。
单光子计数是目前测量弱光信号最灵敏和最有效的实验手段，这种技术中，一般都采用光电倍增管作为光子到电子的变换器（近年来，也有用微通道管和雪崩光电二极管的），通过分辨单个光子在光电倍增管中散发出来的光电子脉冲，利用脉冲高度甄别技术和数字计数技术，把光信号从热噪声中以数字化的方式提取出来。
与模拟检测技术相比，单光子计数技术有如下的优点：1.消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增极的热发射噪声的影响，提高了测量的信噪比。
2.时间稳定性好。
在单光子计数系统中，光电倍增管漂移、系统增益的变化，零点漂移和其他因素对计数影响不大。
3.可输出数字信号，能够直接输出给计算机进行分析处理。
4.有比较宽的线性动态范围，最大计数率可达106s-1。
5.有很宽的探测灵敏度，目前一般的光子计数器探测灵敏度优于10-17W，这是其他探测方法达不到的。
二、实验目的1. 了解单光子计数工作原理。
2. 了解单光子计数的主要性能，掌握其基本操作方法。
3. 了解用单光计数系统检测微弱光信号的方法。
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ν的关系是ε=hν=hc/λ式中c是真空中的光速，h是普朗克常数，λ是波长。
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，常用光功率P表示。
单色光的光功率P与光子流量R的关系是P=Rε如果光源发出的是波长为630nm的近单色光，可以计算出一个光子的能量ε为ε=3.13×10-19J当光功率为P=10-16W时，这种近单色光的光子流量R为R=3.19×102s-1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可降到一毫秒内不到一个光子。
实验五 单光子计数实验
实验五 单光子计数实验光子计数技术，是检测极微弱光的有利手段。
这一技术是通过分辩单光子在检测器（光电倍增管）中激发出来的光电子脉冲，把光信号从热噪声中以数字化的方式提取出来。
这种系统具有很好的长时间稳定性和很高的探测灵敏度。
目前，光子计数系统广泛应用于科技领域中的极微弱光学现象的研究和某些工业部门中的测试工作。
一、 实验的目的1、 学习光子计数技术原理。
2、 掌握光子计数系统中主要仪器的基本操作。
3、 掌握用光子计数系统微弱光信号的方法。
二、 实验仪器光电倍增管、电脑控制软件、制冷系统、光电信号放大和数据采集系统。
三、 实验的原理和结构光子.光是由光子组成的光子流，光子是一种没有静止质量，但有能量（动量）的粒子，一个频率为v (波长为λ)的光子，其能量为λ/hc hv E p ==式中普朗克常数h=6.6⨯10-34(J ．S)，光速c=3.0⨯108(m/s). 以波长为λ＝６.３⨯10-7m 的氦－氖激光为例，一个光子的能量为：)(101.3103.6100.3106.6197834J E p ---⨯≅⨯⨯⨯⨯= 一束单色光的功率等于光子流量乘以光子能量，即P E R P ∙=光子流量Ｒ（光子个数／s ）为单位时间内通过某一截面的光子数．如果设法测出入射光子的流量Ｒ，就可以计算出相应的入射光功率Ｐ．有了一个光子能量的概念，就对微弱光的量级有了明确的认识，例如，对于氦－氖激光器而言，１mw 的光功率并不是弱光范畴．因为光功率Ｐ＝１mw ，则s E P R p/102.315光子⨯== 所以，１mw 的氦－氖激光，每秒有1015量级的光子，从光子计数的角度看，如此大量的光子数是很强的光了．对于光子流量值为１的氦－氖激光，其光功率是 3.1⨯10-19W ．当Ｒ＝1000个光子／s 时，则光功率为3.1⨯10-15W.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点，采用脉冲高度甄别和数子计数技术将掩没在背景噪声中的弱光信号提取出来。
单光子记数实验教案
单光子计数实验教案所谓弱光是指光流强度比用作探测器的光电倍增管本身的热噪声水平（1410-W ）还低，用一般的直流检测方法已无法检出其信号的强度。
单光子计数法利用在弱光照射下光电倍增管输出信号自然离散化的特点，采用精密的脉冲幅度甄别技术和数字计数技术，可把淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。
一、实验目的本实验的目的是介绍这种弱光检测技术。
通过实验使学生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。
二、实验原理1. 光子的概念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g 相对应,一个光子的能量P E 可有下式确定:p hc E hn l== （1） 式中ｃ＝81310m s -´g 是真空中的光速；h=6.61910J s -´g J.S 为普朗克常数。
单色光的光功率用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量）的关系为＝p P R E g，所以，只要能测得光子的流量R ，便可得到光流强度。
2. 光电倍增管及其在探测弱光时输出信号的特征1) 光电倍增管（英文简称PMT）的结构与工作原理一个典型的PMT的结构如图1所示，其供电原理如图2所示。
图1 光电倍增管结构图2 光电倍增管的负高压供电及阳极电路当一个光子入射到光阴极K上，可能使光阴极上逸出几率 称为量子效率。
这个光电子在加速电压作用下飞向第一倍增极打出m个次级电1子。
这些电子继续被更高的电压加速而飞向第二倍增极。
若每一前级光电子打出m个次级电子，如此下去，到达阳极时总电子数可由倍增管2的效益121...n n A m m m m -= （2）给出，式中n 为倍增级的数目。
如是，当光阴极上逸出一个光电子，将在阳极回路中输出电荷191.610a Q A -=⨯⨯库仑。
由于各光电子到达一倍增极的时间和路径不完全相同（称为渡越时间的离散）而使输出的阳极电流脉冲/a dQ dt 呈一定的宽度R τ[图3（a ）]。
单光子计数实验报告
单光子计数实验报告
摘要：
本实验通过使用单光子计数器对单光子进行计数，探究单光子
的特性和量子力学现象。
我们使用了光学干涉技术和光学衰减技术，成功实现了单光子计数的实验。
实验结果表明，在特定条件下，我
们能够对单光子进行精确计数，并观察到粒子的波动-粒子二象性。
引言：
单光子计数是量子光学和量子信息处理领域的关键技术之一。
通过对单个光子的计数，我们可以揭示光子的量子本质和光子之间
的相互关系。
单光子计数实验也是刻画光子源和光子测量的重要手段。
本实验旨在探究单光子计数技术的原理和应用，以期加深对光
子本性的理解。
材料与方法：
1. 激光器：使用稳定的激光器作为光源，确保激光光束稳定且
单一。
2. 单光子计数器：采用高灵敏度的单光子计数器进行实验，确
保精确计数。
3. 光学元件：使用透镜、衰减片和光学干涉器等光学元件，调
节光子的强度和干涉效果。
实验步骤：
1. 调节激光器：调节激光器输出的功率和波长，使其适合单光
子计数实验需求。
2. 调节干涉器：使用干涉器将激光光束分成两个部分，并调节
路径差实现干涉效果。
3. 单光子计数：将干涉后的光束引导到单光子计数器中，进行
单光子计数实验。
4. 记录数据：记录单光子计数器输出的计数率，并观察计数率
随光强、干涉效果的变化。
结果与讨论：
我们进行了一系列的单光子计数实验，并记录了不同条件下的
计数率。
实验结果显示，在光子强度适中和干涉效果良好的情况下，。
06 单光子计数 实验报告
近代物理实验报告指导教师：得分：实验时间： 2009 年 MM 月 DD 日，第 WW 周，周 DD ，第 5-8 节实验者：班级材料0705 学号 200767025 姓名童凌炜同组者：班级材料0705 学号 2007670 姓名车宏龙实验地点：综合楼506实验条件：室内温度℃，相对湿度 %，室内气压实验题目：单光子计数实验实验仪器：（注明规格和型号）CR125型光电倍增管，电子放大系统，光源系统（高亮度发光二极管），制冷系统，计算机系统实验目的：1.了解一些微弱光信号测量的基本思想和方法。
2.了解光电倍增管应用中的一些主要问题。
3.掌握单光子技术的基本原理和技术。
实验原理简述：1.光子流，光强光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为0，有一定能量的粒子。
一个光子的能量为:，若光信号的光子流为R（光子数每秒），光信号的强度P可以表示为：P=RE。
故测量光信号的光强是，只要测得光信号的光子流R，即可得到该信号的强度P。
2.光电倍增管及其弱光输出信号的特征2.1光电倍增管的工作原理及结构光电倍增管是一种噪声小，高增益的光传感器，工作电路如图。
当弱光信号照射到光阴极K上，每个入射光子以一定的概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，在阳极回路上形成一个电流脉冲，即在R1上建立一个电压脉冲，称为“单光子脉冲”。
如果入射光很弱，入射的光几乎是一个个离散地入射到光阴极上的，则在阳极上得到一系列分立的脉冲信号。
即光电倍增管输出的光电信号是分立的尖脉冲，这些脉冲的平均计数效率与光子的流量成正比。
2.2光电倍增管的光谱响应特性光阴极受特定波长的光照射时，光阴极发射的光电子数与入射光子数之比称为量子效率η，其与入射光波长的关系称为光谱响应特性，与光阴极材料，光窗口材料和倍增极的放大倍数有关。
2.3单光子脉冲设只有一个入射光子，且量子效率为1，这个光子打到光阴极上发出一个电子。
这个光电子经过系统倍增放大后，最终在阳极回路中形成一个电流脉冲，通过负载电阻RL形成一个电压脉冲，这个脉冲称为“单光子脉冲”2.4测量弱光时，光电倍增管输出信号的特征当光源十分微弱时，入射的光子是一个一个离散地入射到光阴极上的，则在阳极输出回路上得到的也是一个一个分离的脉冲信号。
实验四单光子计数
实验四 单光子计数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。
它可以探测微弱到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。
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。
最早发展的锁频原理是使放大器中心频率0f 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。
后来发展了锁相放大技术，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。
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。
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。
因此采用光子计数技术，可以把淹没在背景噪声中的微弱光信息提取出来。
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。
【实验目的】1．介绍这种微弱光的检测技术；了解GSZFS-2B 实验系统的构成原理。
2．了解光子计数的基本原理、基本实验技术和弱光检测中的一些主要问题。
3．了解微弱光的概率分布规律。
【实验原理】1．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ν相对应。
一个光子的能量0E 可由下式决定： 0/E h hc νλ== （1）式中c =3×108m/s ，是真空中的光速；h ＝6.6×10－34J s ⋅，是普朗克常数。
单光子计数实验讲义
单光子计数实验讲义一 实验目的1. 掌握使用光子技术的方法对微弱信号进行检测及实验的操作过程;2. 2.了解光子计数方法的基本原理光电倍增管（PMT ）的工作原理。
二 实验仪器光源，PMT，制冷器，外光路,计算机。
三 实验原理在弱光信号检测中，当光强微弱到一定程度时，光的量子特征开始突出起来。
例如：He-Ne 激光光源，其每个光子的能量为3.19×10-19焦耳。
当光功率小于10-11瓦时，相当光子的发射率为108光子数/秒，即光子的发射周期约为10-8秒，刚好是PMT 输出脉冲可分辨的极限宽度（即PMT 响应时间）。
这样，PMT 的输出呈现出脉冲序列的特点，可测得一个个不重叠的光子能量脉冲。
光子计数器就是利用光信号脉冲和噪声脉冲之间的差异，如幅度上的差异，通过一定的鉴别手段进行工作，从而达到提高信噪比的目的。
单光子试验框图入图1所示。
（一）基本原理单光子计数法利用在弱光下光电倍增管输出信号自然离散化的特点，采用精密的脉冲幅度甄别技术和数字计数技术，可把淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。
当弱光照射到光电子阴极时，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。
如图1所示，横坐标表示PMT 输出的噪声与单光子的幅度电平（能量），纵坐标表示其幅度电平的分布概律。
可见，光电子脉冲与噪声分布位置不同。
由于信号脉冲增益相近，其幅度相当好的集中在一个特定的范围内，光阴机反射的电子形成的脉冲幅度较大，图1单光子实验框图图2 PMT 输出脉冲分布而噪声脉冲则比较分散，它在阳极上形成的脉冲幅度较低，因而出现了“单光电子峰”。
用脉冲幅度鉴别器把幅度低于的脉冲抑制掉，只让幅度高于的脉冲通过就实现了单光子计数。
放大器的功能是把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大，应友谊顶的增益，上升时间≤3ns，这就要求放大大器的通频带宽达到100MHz，并且有较宽的线性动态范围和较低的热噪声，经过放大后的信号要便于脉冲幅度鉴别器的鉴别。
单光子计数实验报告LY
实验二单光子计数实验报告实验人刘毅一.实验目的Ⅰ理解单光子计数器的重要用途；Ⅱ了解单光子计数器的工作原理；Ⅲ动手完成实验；培养动手能力，获得实验资料。
二.实验及仪器原理1．电倍增管的工作原理光电倍增管是一个由光阴极、阳极和多个倍增极(亦称打拿极)构成的特殊电子管。
它的前窗对工作在可见光区及近紫外区的用紫外玻璃：而在远紫外区则必须使用石英。
(1)光阴极：光阴极的作用是将光信号转变成电信号，当外来光子照射光阴极时，光阴极便可以产生光电子。
产生电子的多少与照射光的波长及强度有关。
当照射光的波长一定时，光阴极产生光电流的强度正比于照射光的强度，这是光电倍增管测定光强度的基础。
各种不同的光电倍增管具有不同的光谱灵敏度。
目前很少用单一元素制作光阴极，常用的有AgOCs、Cs3Sb、BiAgOCs、Na2KSb、K2CsSb等由多元素组成的光阴极材料。
(2)倍增极：倍增极也称打拿极，所用的材料与阴极相同。
倍增极的作用实质上是放大电流，即在受到前一级发出的电子的打击后能放出更多的次级电子。
普通光电倍增管中倍增极的数目，一般为11个，有的可达到20个。
倍增极数目越大，倍增极间的电位降越大，PMT的放大作用越强。
图1 光电倍增管的工作原理图(3)阳极：大部分由金属网做成，置于最后一级打拿级附近，其作用是接受最后一个倍增极发出的电子。
但接受后，不像倍增极那样再射出电子，而是通导线以电流的形式输出。
光电倍增管的工作原理如图1所示。
在光电倍增管的阴极和阳极间加一高电压，且阳极接地，阴极接在高压电源的负端。
另外，在阳极和阴极之间串接一定数目的固定电阻，这样在每个倍增级上都产生一定的电位降(一般为50V到90V)，使阴极最负(图中假定为·400V)，每一倍增极-300V，顺次增高，至阳极时为0V。
当一束光线照射阴极时，假设产生一个光电子，这个光电子在电场的作用下，向第一倍增极射去。
由于第一倍增极的电位比光阴极要正100V，所以电子在此期间会被加速。
单光子计数实验报告
单光子计数实验报告实验目的：通过单光子计数实验对光子进行计数，测量光的粒子性质，了解和掌握单光子计数的实验原理和方法。
实验原理：单光子计数实验的原理是在放置样品的位置上，加上一个具有很小的孔的反射镜。
样品放在孔的一侧，从另一侧通过激光器照亮样品。
样品中将发生一些光散射，并向照射点反射。
由于激光器照射到样品上的光子数巨大，因此需要在样品的反射镜之后使用一个单光子计数器。
光子在进入单光子计数器之前需要经过一个单光子探测器，在电子探测器中形成电子穴，电子从中释放出来并被放大，最终达到单光子探测器的灵敏度。
使用单光子计数器可以避免通过光子测量获得的一些误差，鉴定近乎真实的光子数。
实验过程：首先，需要准备一台单光子计数器，并确定计数器的响应灵敏度。
然后，将样品放置在镜子的一侧，并向其照射激光器。
为了保证单光子计数实验的精度，需要将样品用一定的方式旋转，使得所有光子都可以被测量。
在样品的反射镜后安装单光子探测器，通过计算单光子计数器的电荷输出来测量光子的数量。
实验结果：在实验中，我们对运用单光子计数法测量光子数进行了研究。
结果显示，当光子数量增加时，光子测量出现了一些误差。
通过调整激光器、反射镜、单光子探测器等设备的参数，可以有效地减少光子误差的发生。
结论：单光子计数实验是一种非常有趣且有用的物理实验。
通过这种实验，我们可以对光子的粒子性质进行非常精确的测量，这对探讨光的粒子性质具有十分重要的意义。
实验中还需要严格控制实验参数，并针对实验室环境进行相应的优化，以保证测量结果的准确性。
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中北大学课程设计说明书2013/2014 学年第 2 学期学院：信息与通信工程学院专业：光电信息工程学生姓名：学号：课程设计题目：单光子计数电路设计起迄日期：2014年05月26日~2014年06月06日课程设计地点：中北大学五院楼513指导教师：中北大学课程设计任务书2013/2014 学年第 2 学期学院：信息与通信工程学院专业：光电信息工程学生姓名：学号：课程设计题目：单光子计数电路设计起迄日期：2014年05月26日~2014年06月06日课程设计地点：中北大学五院楼513指导教师：下达任务书日期: 2014 年5月26 日课程设计任务书课程设计任务书目录摘要 (1)一、总体设计任务与要求 (2)二、总体设计方案 (2)三、设计内容 (2)1、工作原理 (2)2、单光子计数电路系统的组成 (3)1) 光电倍增管PMT及其分压电路设计 (3)2) 放大电路和甄别电路设计 (4)3) 计数电路设计： (5)四、仿真结果和分析 (6)五、总结和体会 (9)六、主要参考文献 (9)七、附录 (10)1、整体设计电路图： (10)2、PCB图： (11)摘要单光子计数方法是利用微弱光照射下光子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微弱的信号识别并提取出来，现代单光子计数具有信噪比高、抗漂移性好、时间稳定性好等特点。
本文介绍了单光子计数系统的工作原理，给出了具体硬件电路的设计方案，设计表明，各项参数基本达到设计要求。
关键词：单光子计数电路；放大甄别电路Abstract：Single photon counting method is the use of weak light photon detector output signal under the natural characteristics of discrete pulse and screening technology and digital counting the extremely weak signal to identify and extract, modern single photon counting has high signal-to-noise ratio, good resistance to drift, time, good stability, etc.This paper introduces the working principle of single photon counting system, gives the specific hardware circuit design, design show that the various parameters basically meet the design requirements.Key words: single photon counting circuit;Enlarge discriminator circuit第1页共11页一、总体设计任务与要求单光子计数电路的设计是基于学习光纤传感技术、光电子技术的基础上，利用光电倍增管、真空雪崩光电二极管等高灵敏的特点，测量单光子或极微弱的光信号，要求参考相关论文、查阅相关资料，认识并掌握单光子计数电路的工作原理、性能，掌握光电器件性能的比较方法，会设计计数电路，利用相关软件画出原理图，制作PCB，完成电路仿真。
二、总体设计方案单光子计数方法利用弱光照射下光子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弱的信号识别并提取出来。
单光子计数器主要由光电倍增管( PMT)、放大器、甄别器和计数器四部分组成。
光源发出的光信号进过光路系统处理后，入射到光电倍增管的光电阴极上，只要光子能量大于光电发射阈值，就会产生一系列光电子，这些光电子与入射到阴极上的光子数成正比。
进过光电倍增管后，由阳极收集所有光电子，并在负载上形成一系列电脉冲。
电脉冲经过放大器放大后输出到甄别器，输出具有一定幅度和形状的标准脉冲。
最后，利用数字芯片对脉冲进行计数。
总体设计结构框图如图1所示。
图1 总体设计结构框图三、设计内容1、工作原理当微弱光照射到PMT的光阴极时，每个入射光子以量子效率使光阴极发射一个光电子，然后经各级倍增最后在阳极形成一个电流脉冲，通过负载电阻产生一个电压脉冲，称为单光子脉冲。
光信号通过光路系统然后入射到PMT的光阴极，光阴极从而产生一系列光电子。
通过PMT各级倍增，最后由阳极收集所有光电子，并在PMT的负载上形成一系列电脉冲。
再经放大器放大后，进入甄别器。
通过调整甄别器的甄别电平，使得只有输入脉冲的幅度高于甄别电平时，才输出标准脉冲。
再经过计数得出结论。
单光子技术就是一般在与PMT的阳极输出脉冲宽度相当的时间内，倍增系统接收的光电子数量基本上在一个以内的计数技术。
光电倍增管输出信号如图2所示。
图2 光电倍增管输出信号2、单光子计数电路系统的组成1)光电倍增管PMT及其分压电路设计PMT是整个系统的基础，能够把光信号转换为电信号。
因此，光电倍增管性能的好坏直接决定了单光子探测器性能的好坏。
PMT由光阴极、聚焦极、倍增极和阳极构成。
性能优良的PMT，光谱响应特性好，时间响应快，光阴极的稳定性好，工作波段内的量子效率高，暗计数低。
由于PMT的偏置电压对非线性和信号电流的增益有很大的影响，因此为了使PMT有较好的灵敏度，减少噪声的影响，需要精心选择它的最佳偏置电压。
选取依据是PMT的信号计数、暗计数和偏置电压的关系曲线如下图所示，由于信号计数曲线有一平坦的坪区，而暗计数曲线则处于连续上升的趋势，当信号计数曲线开始进入坪区时，信噪比SNR最大，此处的偏压是最佳偏置电压。
光电倍增管最佳偏压曲线如图3所示。
图3 光电倍增管最佳偏压曲线在具体的电路实现中, 分压电路采用阳极接地,负高压供电。
如图 4所示。
这种方式可以消除外部信号输出电路与阳极之间的电位差, 实现与运算放大器的直接相连。
而分压电阻的选择要考虑到功耗以及高压电源的承载能力。
为了稳定末几级的级间电压和保证输出的线性, 因而串接了去耦电容。
图4 光电倍增管分压电路2)放大电路和甄别电路设计光电倍增管输出的是脉冲宽度为ns 量级、幅度为A量级的离散高斯脉冲,而一般甄别器的输入电平须达到几十毫伏才能正常工作。
因此, 光电倍增管输出的信号需要放大，便于脉冲幅度甄别器进行甄别。
在实际的电路实现过程中, 选用2个AD8099放大器进行级联。
在小信号输入的情况下，经过正向增益为 10的级联电路,理论上带宽可达到550MHz左右。
2 个放大器之间采用电容耦合级联, 以消除噪声。
冲幅度甄别器采用的AD公司生产的AD8561，是一款单路7 ns比较器，具有单独的输入和输出部分。
单独的电源使输入级可以采用±5 V双电源或+5 V单电源供电。
该比较器另一特点是带一高精度、高稳定度的基准电压，其触发电平的典型值为1mV。
这样使得脉冲幅度甄别器的电路形式更简单。
放大甄别电路结构如图5所示。
图5 放大甄别电路结构框图3)计数电路设计：工作原理：计数电路采用四个2—5—10进制异步计数芯片74LS290和数码管构成4位数的计数显示器。
最大计数数值为1000。
计数芯片74LS290采用级联法相连，即将低位的进位信号输入到高位的CP端。
其芯片引脚图如图6所示。
图6 74LS290芯片引脚图数码管采用7段显示数码管，显示计数数值。
计数电路仿真效果如图7所示：图7 计数电路仿真效果四、仿真结果和分析1、当输入信号带宽为1M时，电路正常工作，能够正确计量光子数目。
仿真效果如图8所示。
图8 输出波形和计数电路仿真2、当输入信号脉宽为100M时候，出现明显失真，甄别器不能把信号整形成脉冲信号，计数器不能正确计数。
仿真效果如图9所示。
图9 输出波形和计数电路仿真3、当输入信号脉宽为55M时候，输出波形出现失真，但是计数器还能够计数。
仿真效果如图10所示。
图10 输出波形和计数电路仿真由上述实验数据可知，该系统只适用于输入信号带宽小于55M情况下。
大于55M时候甄别器不能够工作，计数器不能计数。
根据理论，参照光电倍增管等效电路（图11所示），输入信号带宽和光电倍增管的型号和外围电路有关，光电倍增管输出信号上限截止频率计算公式为：设计该系统可改变光电倍增管外围电路参数调整输出带宽，避免失真现象出现。
图11 光电倍增管等效电路五、总结和体会通过本次课程设计的学习，让我认识到了。
六、主要参考文献[1]孙青,李梅,王春鸿,等.光度测量系统中的光子计数采集卡[J].光电工程,2004,31(31):76-79.[2]邵永进,祝连庆.单光子计数系统及其噪声分析[J]，光子学报，2003，20（5）：600-682.[3]安毓英,曾晓东.光电探测原理[M].西安：西安电子科技大学出版社,2014.[4]章克来,朱海明.微弱信号检测技术[J].航空电子技术,2009,02:30-36.[5]赵远,张宇.光电信号检测原理与计数[M].北京:机械工业出版社,2005.七、附录1、整体设计电路图：2、PCB图：。