实验 4 单光子计数实验

1. 实验4 单光子计数实验 黄豪 电科091 09461113

2. 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

3. 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。

4. 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 • 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

5. 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。

6. 二.测量弱光时光电倍增管输出信号的特征 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。

7. 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；

8. 然而在弱光条件下，阳极回路上形成的是一个个离然而在弱光条件下，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。

9. 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”。

10. 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。

11. 如果入射光很弱，入射的光子流是一个一个离散地如果入射光很弱，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。

12. 图为光电倍增管阳极回路输出脉冲计数率ΔR随脉冲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。

13. 三.光子计数器的组成

14. 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。

15. 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。

16. 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。

17. 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。

18. ⑷计数器（定标器） 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。

19. 四、光子计数器的误差及信噪比 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。

20. 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。

21. 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。

22. 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。

23. 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。

24. 实验器材 SGD-1型单光子计数器

25. 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）

26. 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

27. 实验结果

29. 5. 注意事项 1、 保存曲线时，若想将不能曲线比较，应将这些曲线存在不同寄存器中，否则不能同时打开。 2、 测量时，不可打开光路的上盖。以避免杂散光的影响。