单光子记数实验教案

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（14

10W）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。与一定的频率相对应,一个光子的能量

P

E可有下式确定:

p hc

E h（1）式中ｃ＝81

310m s是真空中的光速；h=6.619

10J s 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，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 ）]。

R τ的典型值为10~20ns （纳秒）。为简单起见，设输入脉冲呈矩形[图3

（b ）]，其半高宽为t ω，则电流/a a I Q t ω=。对t ω=10ns 的情况且管增益510A =时

6/ 1.610a a I Q t A

ω-==⨯

（3） a I 在负载电阻a R 上产生一个电压脉冲，称为单光子电压脉冲a a a V I R =。

R τ决定于PMT 的时间特性及阳极回路的时间常数a a R C （a C 为阳极

回路的分布电容和放大器输入电容之和）。在光子计数器中宜用较低的负载电阻以获得大的时间常数将输入脉冲积分成一个高的直流信号形成对照[图3（c ）]。

图3光电倍增管的阳极波形

除入射光子产生光脉冲外，光电倍增管的光阴极还因热而发射电子产生阳极输出脉冲。在相同的工作条件下，这种脉冲难以与真正的光信号脉冲相区别，只有通过选择适当的光电倍增管(要求低暗电流、小的光阴面积、最小的红波响应等)和采用致冷技术对它加以限制。各倍增极的热发射电子也会在阳极回路中形成热发射噪声脉冲，但其倍增次数比光电子少，因而在阳极上形成脉冲幅度较低，可用甄别器将它去除而不进入计数系统。

此外．各倍增极的倍增系数m不是常数而遵从泊松分布。因此，光电子脉冲和噪声脉冲幅度也有一个分布。图4为光电倍增管阳极回路输出脉冲计效率ΔN随脉冲幅度大小的分布。曲线表示脉冲幅度在V至V 十ΔV间的脉冲计数串ΔN与脉冲幅度V的关系。图中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)形成的脉冲幅度大部集中于横坐标中部，形成“单光电子峰”。将脉冲幅度用甄别器将高于V h的脉冲鉴别输出，并采取措施限制热发射电子的产生，就可实现单光子计数。

图4 光电倍增管输出脉冲幅度分布（微分）曲线

2) 光电倍增管探测弱光时输出信号的特征

只有在入射光很弱，入射的光子流是一个一个离散地入射到光阴极上时，才能在阳极回路中得到一系列分立的脉冲信号。图5是用示波器观察到的光电倍增管弱光输出信号经放大器放大后的波形。当1310P W 时，光电子信号是一叠加有闪烁噪声的直流电平，如图(a)；

当1410P W 时，直流电平减小，脉冲重叠减少，但仍在基线上起伏，

如图(b)；光流继续下降达1510P

W 时，基线开始稳定，重叠脉冲极少，如图(c)；当1610P W 时，脉冲无重叠，直流电平趋于零。如图

(d)。由图5可知，当光流量降至1610P W 时，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率与光子的流量成正比。

图5 各种不同信号光强下光电倍增管输出信号波形

2) 单光子计数系统对光电倍增管的要求

光电倍增管的性能直接关系到计数系统能否正常工作,除要求光电倍增管要有小的暗电流、快的响应速度和光阴极稳定性高(低的热发射率)外，还需采取下列技术措施以提高信噪比:<1>对电磁噪声的屏蔽,光子计数易受电磁噪声的干扰，必须加以屏蔽,其方法是在光电倍增管的金屑外套内衬以玻莫合金;<2>光电倍增管的供电,用于光子计数器的光电倍增管常采用阳极输出电流信号，光阴极和外壳接地。

对于一定的光照强度，光电倍增管的阳极输出计数率(正比于阳极电流)随所加工作电压而变化，如图6中曲线(1)。由图可见，当加速电压较低时，计数率随加速电压增大而直线上升．然后计数率变化缓慢形成“平台”，最后又随加速电压迅速上升。而PMT的暗计数(主要来自光阴极和各倍增极热电子发射)随加速电压的变化如曲线(2)。为了获得最佳信噪比(SNR)和稳定的计数率，光电倍增管的工作电压应选在平台的前端，此处计数率不因加速电压的不稳定而产生大的变化，且暗计数较