《單光子計數實驗》PPT課件.ppt

單光子計數實驗,姜志龍,電科091 09461114,單光子計數實驗,一、實驗目的： 觀察微弱光的光量子現象； 研究鑒別電壓（閾值）對系統性能的影響，確定最佳鑒別電壓（閾值）； 了解光子計數器的信噪比，測試光子計數器的最低暗計數率和最小可檢測光計數率； 學習用光子計數器測量微弱光信號的原理與技術。,二、實驗原理和儀器結構 2.1 原理 光子是靜止質量為零，有一定能量的粒子。光是由光子組成的，光子的能量和波長（或頻率）有關，即： 對于波長=600nm的桔紅色光，每個光子的能量約為3.310-19J。 如果用R（CPS）表示表示到達光陰極的光子通量（光子數/秒），則光束功率P和光子通量R之間的關系為:,光子通量R和光束功率P之間的對應數值關系及適應的檢測方法如下表:,光子計數器只能測量微弱光和超微弱光的功率，不能測量功率大于10-10W的光束功,K,光子,D1,D2,Dn,A,R1,率，不能測量含有多光子的光脈沖功率。,光電倍增管的工作原理如圖1所示。它是一種噪聲小、高增益的光電傳感器，當弱光照射到光陰極K時，每個入射光子以一定的概率(即量子效率)使光陰極發(fā)射一個電子。這個光電子經倍增系統的倍增最后在陽極（打拿極）回路中形成一個電流脈沖，通過負載電阻R形成一個電壓脈沖，這個脈沖稱為單光子脈沖，也稱為光電子脈沖。如果入射光很弱，入射的光幾乎是一個個離散地入射到光陰極上的，則在陽極上得到一系列離散的脈沖信號。即光電倍增管輸出的光信號是離散的尖脈沖，這些脈沖的平均計數效率與光子的流量成正比。,在可見光的微弱、超微弱光檢測中，目前光電倍增管是唯一適合在光子計數方法中使用的光信號探測器件。光電倍增管響應時間短、靈敏度高，能夠輸出適合光子計數的離散脈沖信號。采用高頻示波器（200MHz以上）可以觀察到用光電倍增管接收到的微弱光的輸出信號。當光強度較大時，從光電倍增管輸出的信號是一直流電平；隨著光強度的逐漸減弱，光電倍增管中輸出的直流分量愈來愈小，起伏的交流成分愈來愈大，從而成為一系列的脈沖信號。,脈沖高度分布（PHD）： 光電倍增管暗計數（陰極和打拿極的熱電子發(fā)射、光反饋、宇宙射線等）的脈沖高度與信號的脈沖高度有如下關系：各級打拿極熱電子發(fā)射的脈沖高度小于光信號的脈沖高度，其脈沖數很大；光陰極的熱電子發(fā)射及反饋光子的光電激發(fā)產生的脈沖高度等于光信號的脈沖高度，其脈沖數很少；宇宙射線激發(fā)輸出的脈沖高度大于光信號的脈沖高度，其脈沖數很少。由此，可得光電倍增管輸出的噪聲、信號及信號加噪聲的脈沖高度分布（PHD），如圖3所示。,圖3 光電倍增管的脈沖高度分布圖,單光子峰,計數率 噪聲,計數率 信號,計數率 信號+噪聲,脈沖高度,脈沖高度,脈沖高度,適合光子計數用的光電倍增管在脈沖高度分布圖上需要具備明顯的單光子峰光電倍增管的這種PHD特性是選擇其能否作光子計數使用的條件，很多光電倍增管由于不具備明顯的單光子峰而不能用于光子計數。 單光子計數器中使用的光電倍增管其光譜響應應適合所用的工作波段(有紫外、可見光和紅外等波段劃分)，暗電流要?。ㄅc無激光輸入時對應的計數率即暗計數率相對應）,它決定管子的探測靈敏度，相應速度及光陰極穩(wěn)定。光電倍增管性能的好壞直接關系到光子計數器能否正常工作。 單光子計數器的框圖見圖5。,在脈沖幅度甄別器里設有一個連續(xù)可調的參考電壓Vh。如圖6所示，當輸入脈沖高度低于Vh時，甄別器無輸出。只有高于Vh的脈沖，甄別器輸出一個標準脈沖。如果把,甄別電平選在圖4中的谷點對應的脈沖高度上，就能去掉大部分噪聲脈沖而只有光電子脈沖通過，從而提高信噪比。脈沖幅度甄別器應甄別電平穩(wěn)定；靈敏度高；死時間小、建立時間短、脈沖對分辨率小于10ns，以保證不漏計。甄別器輸出經過整形的脈沖。,計數器的作用是在規(guī)定的測量時間間隔內將甄別器的輸出脈沖累加計數。,2.2 結構 光源: 用高亮度發(fā)光二極管作光源，波長中心500nm，半寬度30nm。為提高入射光的單色性，儀器準有窄帶濾光片，其半寬度為18nm。 接收器: 接收器采用CR125光電倍增管為接收器。實驗采用半導體致冷器降低光電倍增管的工作溫度，最低溫度可達-20。 光路: 實驗系統的光路如圖7所示：,2.3 光子計數器的誤差及信噪比 泊松統計噪聲: 用光電倍增管探測熱光源發(fā)射的光子，光子打到熱陰極上的時間間隔是隨機的，對于大量粒子的統計而言是服從泊松分布的。其信號的不確定度通常用均方根偏差來表示。其中，是光電倍增管的量子計數效率，R是光子平均流量，即單位時間通過光束截面的光子個數，也稱為光子計數率。N=Rt是時間間隔t內光電倍增管的光陰極發(fā)射的光電子平均數，稱為光子計數。這種不確定度稱之為統計噪聲，如平均計數 ，則可能的誤差為 10，瞬時計數值為 ，在90-110之間。,三 實驗內容,軟件安裝后，從“開始”菜單執(zhí)行“程序”組中的“GSZF2A”組，即可啟動GSZF2A控制處理系統。 工作界面介紹 進入系統后，首先彈出如圖13的友好界面，等待用戶單擊鼠標或鍵盤上的任意鍵；當接收到鼠標、鍵盤事件或等待五秒鐘后，馬上顯示工作界面（如圖14）。,工具,在參數設置窗口中設置好各項參數：模式為域值方式，時間單位為毫秒，采樣間隔和積分時間均為1000或1000，高壓為8； 單擊工具欄開始按鈕，將得到一光源功率對應的光子數域值電壓的積分曲線，單擊數據/圖形處理菜單中的微分命令，找出微分后圖形的斜率突變點即域值點的域值電平。 將模式改為“時間方式”，將上面測出的域值設置在參數窗口的域值框中。關閉光源，開始采集數據，得一振蕩曲線，保存數據。 打開保存文本文件，將所有數據復制到Word文檔里，制成表格，再將這些數據復制到Exce