单光子计数实验

姜志龙

电科091 09461114

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。

二、实验原理和仪器结构

2.1 原理 光子是静止质量为零，有一定能量的粒子。 光是由光子组成的，光子的能量和波长（或 频率）有关，即：

E



h

 0 

hc

 对于波长λ=600nm的桔红色光，每个光子的 能量约为3.3×10 -19 J 。 如果用R（CPS）表示表示到达光阴极的光子 通量（光子数/秒），则光束功率P和光子通 量R之间的关系为:

p



R



E

光子通量R和光束功率P之间的对应数值关系及 适应的检测方法如下表: R(CPS) P(W) 检测方法 超微弱光 10 10 2 10 3 3.3×10 -18 3.3×10 -17 3.3×10 -16 微弱光 10 4 10 5 10 6 10 7 10 8 10 9 3.3×10 -15 3.3×10 -14 3.3×10 -13 3.3×10 -12 3.3×10 -11 3.3×10 -10 光子计 数 锁相放 大

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 -10 W的光束功 光子 K A R1 D 1 D 2 Dn 率，不能测量含有多光子的光脉冲功率。

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 光照射到光阴极K时，每个入射光子以一定 的概率(即量子效率η)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（打拿极）回路中形成一个电流脉冲，通 过负载电阻R形成一个电压脉冲，这个脉冲 称为单光子脉冲，也称为光电子脉冲。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 离散的脉冲信号。即光电倍增管输出的光信 号是离散的尖脉冲，这些脉冲的平均计数效 率与光子的流量成正比。

在可见光的微弱、超微弱光检测中， 目前光电倍增管是唯一适合在光子计数方法 中使用的光信号探测器件。光电倍增管响应 时间短、灵敏度高，能够输出适合光子计数 的离散脉冲信号。采用高频示波器（200MHz 以上）可以观察到用光电倍增管接收到的微 弱光的输出信号。当光强度较大时，从光电 倍增管输出的信号是一直流电平；随着光强 度的逐渐减弱，光电倍增管中输出的直流分 量愈来愈小，起伏的交流成分愈来愈大，从 而成为一系列的脉冲信号。

脉冲高度分布（PHD）： 光电倍增管暗计数（阴极和打拿极的 热电子发射、光反馈、宇宙射线等）的脉 冲高度与信号的脉冲高度有如下关系：各 级打拿极热电子发射的脉冲高度小于光信 号的脉冲高度，其脉冲数很大；光阴极的 热电子发射及反馈光子的光电激发产生的 脉冲高度等于光信号的脉冲高度，其脉冲 数很少；宇宙射线激发输出的脉冲高度大 于光信号的脉冲高度，其脉冲数很少。由 此，可得光电倍增管输出的噪声、信号及 信号加噪声的脉冲高度分布（PHD），如 图3所示。

计数率 噪声 计数率 信号 脉冲高度 单光子峰 脉冲高度 计数率 信号 + 噪声 脉冲高度 图3 光电倍增管的脉冲高度分布图

适合光子计数用的光电倍增管在脉冲 高度分布图上需要具备明显的单光子峰光电 倍增管的这种PHD特性是选择其能否作光子 计数使用的条件，很多光电倍增管由于不具 备明显的单光子峰而不能用于光子计数。 单光子计数器中使用的光电倍增管其 光谱响应应适合所用的工作波段(有紫外、 可见光和红外等波段划分)，暗电流要小 （与无激光输入时对应的计数率即暗计数率 相对应）,它决定管子的探测灵敏度，相应 速度及光阴极稳定。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。 单光子计数器的框图见图5。

在脉冲幅度甄别器里设有一个连续可调的参考电压 Vh 。如图 6 所示，当输入脉冲高度低于 Vh 时，甄别器无输 出。只有高于 Vh 的脉冲，甄别器输出一个标准脉冲。如果 把

甄别电平选在图4中的谷点对应的脉冲高度 上，就能去掉大部分噪声脉冲而只有光电子脉 冲通过，从而提高信噪比。脉冲幅度甄别器应 甄别电平稳定；灵敏度高；死时间小、建立时 间短、脉冲对分辨率小于10ns，以保证不漏计。 甄别器输出经过整形的脉冲。

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 的工作温度，最低温度可达-20℃。 光路: 实验系统的光路如图7所示：

2.3 光子计数器的误差及信噪比 泊松统计噪声 : 用光电倍增管探测热光源发射的光子，光子打到热阴极上的时间间 隔是随机的，对于大量粒子的统计而言是服从泊松分布的。其信号 的不确定度通常用均方根偏差 σ 来表示。其中， η 是光电倍增管的量 子计数效率， R 是光子平均流量，即单位时间通过光束截面的光子个 数，也称为光子计数率。 N=ηRt 如平均计数 ，则可能的误差为 是时间间隔 10 t 内光电倍增管的光阴极发 射的光电子平均数，称为光子计数。这种不确定度称之为统计噪声， ，瞬时计数值为 ，在 90-110 之间。

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）。

标题 菜单 工具 寄存器选择 状态 参数设置 详细信息 寄存器 付工具 工作

在参数设置窗口中设置好各项参数：模式为域值方式， 时间单位为毫秒，采样间隔和积分时间均为1000或1000，高 压为8； 单击工具栏开始按钮，将得到一光源功率对应的光子 数—域值电压的积分曲线，单击数据/图形处理菜单中的微分 命令，找出微分后图形的斜率突变点即域值点的域值电平。 将模式改为“时间方式”，将上面测出的域值设置在参 数窗口的域值框中。关闭光源，开始采集数据，得一振荡曲 线，保存数据。 打开保存文本文件，将所有数据复制到Word文档里，制 成表格，再将这些数据复制到Excel文件里，将所需数据求平 均，即得到背景计数N d 。 打开光源开关，转动光源强度调节钮——电流调节旋钮， 给光源某一强度。开始采集数据，得到一条振荡曲线，保存 数据。重复第七步，得总计数N t 。

注意事项 测量时，不可打开光路的上盖，以避 免杂散光的影响 。