單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)

1、單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)第1頁，共19頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)13分，星期二一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模河^察微弱光的光量子現(xiàn)象；研究鑒別電壓（閾值）對(duì)系統(tǒng)性能的影響，確定最佳鑒別電壓（閾值）；了解光子計(jì)數(shù)器的信噪比，測(cè)試光子計(jì)數(shù)器的最低暗計(jì)數(shù)率和最小可檢測(cè)光計(jì)數(shù)率；學(xué)習(xí)用光子計(jì)數(shù)器測(cè)量微弱光信號(hào)的原理與技術(shù)。第2頁，共19頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)13分，星期二二、實(shí)驗(yàn)原理和儀器結(jié)構(gòu)2.1 原理光子是靜止質(zhì)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(zhǎng)（或頻率）有關(guān)，即：對(duì)于波長(zhǎng)=600nm的桔紅色光，每個(gè)光子的能量約為3.310-19J。如果用R（CPS）表示表示到達(dá)光陰極的光子通量（光

2、子數(shù)/秒），則光束功率P和光子通量R之間的關(guān)系為:第3頁，共19頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)13分，星期二光子通量R和光束功率P之間的對(duì)應(yīng)數(shù)值關(guān)系及適應(yīng)的檢測(cè)方法如下表:R(CPS)P(W)檢測(cè)方法超微弱光103.310-18光子計(jì)數(shù)1023.310-171033.310-161043.310-15微弱光1053.310-141063.310-13鎖相放大1073.310-121083.310-111093.310-10第4頁，共19頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)13分，星期二光子計(jì)數(shù)器只能測(cè)量微弱光和超微弱光的功率，不能測(cè)量功率大于10-10W的光束功K光子D1D2DnAR1率，不能測(cè)

3、量含有多光子的光脈沖功率。第5頁，共19頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)13分，星期二 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(dāng)弱光照射到光陰極K時(shí)，每個(gè)入射光子以一定的概率(即量子效率)使光陰極發(fā)射一個(gè)電子。這個(gè)光電子經(jīng)倍增系統(tǒng)的倍增最后在陽極（打拿極）回路中形成一個(gè)電流脈沖，通過負(fù)載電阻R形成一個(gè)電壓脈沖，這個(gè)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(gè)個(gè)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(hào)。即光電倍增管輸出的光信號(hào)是離散的尖脈沖，這些脈沖的平均計(jì)數(shù)效率與光子的流量成正比。第6頁，共19頁，2022年，5月20

4、日，2點(diǎn)13分，星期二在可見光的微弱、超微弱光檢測(cè)中，目前光電倍增管是唯一適合在光子計(jì)數(shù)方法中使用的光信號(hào)探測(cè)器件。光電倍增管響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高，能夠輸出適合光子計(jì)數(shù)的離散脈沖信號(hào)。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(hào)。當(dāng)光強(qiáng)度較大時(shí)，從光電倍增管輸出的信號(hào)是一直流電平；隨著光強(qiáng)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(hào)。第7頁，共19頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)13分，星期二脈沖高度分布（PHD）：光電倍增管暗計(jì)數(shù)（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(hào)的脈沖高度

5、有如下關(guān)系：各級(jí)打拿極熱電子發(fā)射的脈沖高度小于光信號(hào)的脈沖高度，其脈沖數(shù)很大；光陰極的熱電子發(fā)射及反饋光子的光電激發(fā)產(chǎn)生的脈沖高度等于光信號(hào)的脈沖高度，其脈沖數(shù)很少；宇宙射線激發(fā)輸出的脈沖高度大于光信號(hào)的脈沖高度，其脈沖數(shù)很少。由此，可得光電倍增管輸出的噪聲、信號(hào)及信號(hào)加噪聲的脈沖高度分布（PHD），如圖3所示。第8頁，共19頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)13分，星期二圖3 光電倍增管的脈沖高度分布圖單光子峰計(jì)數(shù)率噪聲計(jì)數(shù)率 信號(hào)計(jì)數(shù)率信號(hào)+噪聲脈沖高度脈沖高度脈沖高度第9頁，共19頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)13分，星期二適合光子計(jì)數(shù)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

6、峰光電倍增管的這種PHD特性是選擇其能否作光子計(jì)數(shù)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(jì)數(shù)。單光子計(jì)數(shù)器中使用的光電倍增管其光譜響應(yīng)應(yīng)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(shí)對(duì)應(yīng)的計(jì)數(shù)率即暗計(jì)數(shù)率相對(duì)應(yīng)）,它決定管子的探測(cè)靈敏度，相應(yīng)速度及光陰極穩(wěn)定。光電倍增管性能的好壞直接關(guān)系到光子計(jì)數(shù)器能否正常工作。單光子計(jì)數(shù)器的框圖見圖5。第10頁，共19頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)13分，星期二在脈沖幅度甄別器里設(shè)有一個(gè)連續(xù)可調(diào)的參考電壓Vh。如圖6所示，當(dāng)輸入脈沖高度低于Vh時(shí)，甄別器無輸出。只有高于Vh的脈沖，甄別器輸出一個(gè)標(biāo)

7、準(zhǔn)脈沖。如果把第11頁，共19頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)13分，星期二 甄別電平選在圖4中的谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)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(yīng)甄別電平穩(wěn)定；靈敏度高；死時(shí)間小、建立時(shí)間短、脈沖對(duì)分辨率小于10ns，以保證不漏計(jì)。甄別器輸出經(jīng)過整形的脈沖。第12頁，共19頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)13分，星期二計(jì)數(shù)器的作用是在規(guī)定的測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)將甄別器的輸出脈沖累加計(jì)數(shù)。2.2 結(jié)構(gòu) 光源: 用高亮度發(fā)光二極管作光源，波長(zhǎng)中心500nm，半寬度30nm。為提高入射光的單色性，儀器準(zhǔn)有窄帶濾光片，其半寬度為18nm。 接收器:接收器采用

8、CR125光電倍增管為接收器。實(shí)驗(yàn)采用半導(dǎo)體致冷器降低光電倍增管的工作溫度，最低溫度可達(dá)-20。 光路: 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的光路如圖7所示：第13頁，共19頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)13分，星期二2.3 光子計(jì)數(shù)器的誤差及信噪比泊松統(tǒng)計(jì)噪聲:用光電倍增管探測(cè)熱光源發(fā)射的光子，光子打到熱陰極上的時(shí)間間隔是隨機(jī)的，對(duì)于大量粒子的統(tǒng)計(jì)而言是服從泊松分布的。其信號(hào)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(jì)數(shù)效率，R是光子平均流量，即單位時(shí)間通過光束截面的光子個(gè)數(shù)，也稱為光子計(jì)數(shù)率。N=Rt是時(shí)間間隔t內(nèi)光電倍增管的光陰極發(fā)射的光電子平均數(shù)，稱為光子計(jì)數(shù)。這種不確定度稱之為統(tǒng)計(jì)噪聲，如平

9、均計(jì)數(shù) ，則可能的誤差為 10，瞬時(shí)計(jì)數(shù)值為 ，在90-110之間。第14頁，共19頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)13分，星期二三 實(shí)驗(yàn)內(nèi)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(dòng)GSZF2A控制處理系統(tǒng)。工作界面介紹 進(jìn)入系統(tǒng)后，首先彈出如圖13的友好界面，等待用戶單擊鼠標(biāo)或鍵盤上的任意鍵；當(dāng)接收到鼠標(biāo)、鍵盤事件或等待五秒鐘后，馬上顯示工作界面（如圖14）。第15頁，共19頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)13分，星期二參數(shù)設(shè)置 標(biāo)題付工具工作工具第16頁，共19頁，2022年，5月20日，2點(diǎn)13分，星期二 在參數(shù)設(shè)置窗口中設(shè)置好各項(xiàng)參數(shù)：模式為域值方式，時(shí)間單位為毫秒，采樣間隔和積分時(shí)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(duì)應(yīng)的光子數(shù)域值電壓的積分曲線，單擊數(shù)據(jù)/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(diǎn)即域值點(diǎn)的域值電平。 將模式改為“時(shí)間方式”，將上面測(cè)出的域值設(shè)置在參數(shù)窗口的域值框中。關(guān)閉光源，開始采集數(shù)據(jù)，得一振蕩曲線，保存數(shù)據(jù)。 打開保存文本文件，將所有數(shù)據(jù)復(fù)制到Word文檔里，制成表格，再將這些數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel文件里，將所需數(shù)據(jù)求平均，即得到背景計(jì)數(shù)Nd。 打開光源開關(guān)，轉(zhuǎn)動(dòng)光源強(qiáng)度調(diào)節(jié)鈕電流調(diào)節(jié)旋鈕，給光源某一強(qiáng)度。