Transcript NEW 第九章光子计数器

光子计数器
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光子计数器
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概述
光电倍增管及偏置电路与接地方式
光子计数过程中的噪声
光子计数器中的放大器
光子计数器测量弱光的上限
光子计数器中的鉴别器
光电倍增管的单光子响应峰
光电倍增管的计数坪区——最佳偏压的选择
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1 概述
一、单光子计数技术
利用弱光照射下光电探测器输出电信号自然离散的特点，
采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其微弱的信号识别并
提取出来。
单光子计数探测技术是一种极微弱光探测法。
它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的
热噪声水平（10-14W）还要低，用通常的直流检测方法不能
把这种湮没在噪声中的信号提取出来。
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单光子探测技术应用：
高分辨率的光谱测量、
非破坏性物质分析、高速现象检测、
精密分析、大气测污、生物发光、
放射探测、高能物理、天文测光、
量子密钥分发系统等领域。
单光子探测器在高技术领域具有重要地位，成为各国光
电子学界重点研究的课题之一 。
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这种技术和模拟检测技术相比有如下优点：
●测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它
不稳定因素的影响较小；
●消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量
结果的信噪比；
●有比较宽的线性动态区；
●输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字数据处
理。
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二、单光子计数的光电器件
可用来作为单光子计数的光电器件有许多种，
光电倍增管（PMT）、
雪崩光电二极管（APD）、
增强型光电二极管（IPD）、
微通道板（MCP）、
微球板（MSP）
真空光电二极管（VAPD）
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1.光电倍增管（PMT）单光子探测器
单光子探测需要的光电倍增管要求增益高、暗电流小、
噪声低、时间分辨率高、量子效率高、较小的上升和下
降时间。
特点：
具有高的增益（104～107）；
大光敏面积；
低噪声等效功率（NEP）；
体积庞大、量子效率低下、反向偏压高；
仅能够工作在UV和可见光谱范围内；
抗外部磁场能力较差。
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2、雪崩光电二极管（APD）
雪崩光电二极管不同于光电倍增管，它是一种建立在内光
电效应基础上的光电器件。
雪崩光电二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可
以产生10~100对光生电子空穴对，从而能够在器件内部产
生很大的增益。
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目前应用的APD主要有三种，即
Si-APD、Ge-APD和InGaAs-APD。它们分别对应不同
的波长。
Si-APD主要工作在400nm～1100nm，
Ge-APD在800nm～1550nm，
InGaAs-APD则在900nm～1700nm。
已经有了相关的报道：在光通信三个波段（即850nm、
1310nm和1550nm）的单光子探测器用于量子密钥系统。
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APD单光子计数具有量子效率高、功耗低、工作频谱范
围大、体积小、工作电压较低等优点。
但是同时也有增益低、噪声大，外围控制电路及热电制
冷电路较复杂等缺点。
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3、真空雪崩光电二极管（VAPD）
针对PMT和APD的缺点，目前开发出一种真空雪崩光电二
极管（VAPD）单光子探测器，它是由光阴极和一个具有大
光敏区面积的半导体硅APD组成。
光阴极和APD之间保持高真空态，光子信号打到光阴极上，
产生光电子，这些光电子在高压电场的作用下加速，然后再
打到APD上。
对于硅APD，这些光电子的能量约为硅禁带能量的2000倍，
这样一个光电子就能产生大于2000对的电子空穴对。在
VAPD中，Si-APD的典型增益为500倍，因而VAPD的增益可
以达到106倍。
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VAPD单光子探测器是一种PMT和APD相结合的产物，
具有许多PMT和APD无法比拟的优点。
其主要特点有：低噪声、动态范围大、分辨率高、抗磁
干扰能力强、探测光谱范围宽等特点。
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三、单光子探测器的现状及其发展
对于可见光探测，光电倍增管有很好的响应度，暗电流
也非常小，很早就用于单光子计数，现在技术已经比较成
熟，市场上也有了不少类似的产品。
随着人们对红外光研究的不断深入，特别是近年来量子
通信技术、量子密码术的研究不断引起各国的重视，对红
外通信波段（850nm、1310nm和1550nm）单光子探测器
的研究尤为迫切。
光电倍增管却显得无能为力，即使是最好的红外光阴极-
Si阴极，光谱响应到1050nm就已经截止了，仅这一点就排
除了光电倍增管在红外通信波段的应用。
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在850nm波段，考虑到光电倍增管工作电压很高和使用
维护的复杂程度，在实际应用中人们还是选用Si-APD雪崩
光电二极管。
现在对Si的研究已经趋于成熟，Si-APD也已经有了比较
好的制造工艺。国外已经有公司开发出了专门针对850nm
单光子探测的商用Si-APD。
在1310nm和1550nm波段， Si-APD已经不能用于进行单
光子探测了，一般选用InGaAs-APD，但由于制造工艺的
问题，目前还没有专门针对单光子探测的商用InGaAsAPD。目前对这两个波段的单光子探测一般都是关于利用
现有针对光纤通信的商用APD，通过优化外围驱动电路，
改善工作环境，使其达到单光子探测的目的。
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目前对单光子探测器将主要从两个方面去研究
一方面，研制和开发有高灵敏度新型结构的光探测器；
另一方面，研究和改进探测器的外围控制驱动技术，利
用现有的探测器进行单光子探测。
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四、PMT单光子计数器的组成
放大器
PMT
鉴别器
计数器A
控
制
制
冷
器
高
压
源
显示
启
动
计数率RB
时钟
计数器B
单光子计数器由光电倍增管（PMT），前置放大器，
幅度鉴别器和计数器构成。
高压电源来是PMT正常工作；PMT必须配备制冷器以
减少阴极的热电子发射。
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PMT单光子计数系统工作原理
PMT接受光辐射；
阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出；
经过放大器信号放大后送到鉴别器；
鉴别器通过设置第一鉴别电平和第二鉴别电平来减少暗
电流和干扰；
计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。
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2 光电倍增管及偏置电路与接地方式
光电倍增管是光子计数器的核心部体，它将接收到的一
个一个光子转变为电脉冲信号。
要使光电倍增管正常工作，必须配备致冷器和高压电源。
并不是所有的光电倍增管都适于制作光子计数器。对用
于光子计数器的光电倍增管有一些特殊的要求。
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1.光电倍增管的工作原理回顾
光电倍增管是利用外光电效应把入射光子转变为光电
信号的探测器。
光电倍增管的结构示意图如图所示。
D2 D4 D6 D8 D10
D1 D3 D5 D7 D 9
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2.倍增极结构与渡越时间的关系
光电倍增管的渡越时间：从光电阴极K接受一个光子开始，到
阳极收集到D10发射的二次电子为止，所需的时间为τ。渡越时
间τ是一个平均值。
渡越时间离散：由于各极二次电子飞越的轨道不可能完全一致，
渡越时间也就不可能完全相等，因此，阳极从收集到第一个二
次电子和最后一个二次电子的时间是不同的，这个时间差称为
渡越时间离散，记为Δτ。
渡越时间离散Δτ和渡越时间τ都和光电倍增管的结构有关 。
渡越时间离散降低了PMT的频率响应特性。
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渡越时间离散的影响
阳极电流脉冲的宽度：阳极电流脉冲的形状中，tw为光电流脉
冲的半宽度，即幅度下降至一半时所对应的脉宽。
阳极电流脉冲的宽度与渡越时间离散程度成正比，越宽就越
容易产生交叠。目前，用于光子计数的光电倍增管的输出阳极
电流脉冲半宽度约为10－30ns。
为了充分利用光电倍增管的响应速度，光电倍增管的电路时
间常量应小小于tw 。
1
1/2
tw
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直列聚焦式光电倍增管，结构如图所示。它的渡越时间离散
Δτ很小，渡越时间τ也较小。若将其光阴极也制成曲面形状，
则这种管子最为适宜作光子计数器使用。
聚焦电极
K
A
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3.PMT的增益与二次电子发射系数回顾
倍增管的增益G定义为
Ia
G
Ik
二次电子发射系数δ又称为倍增系数
δ值一般为3~6，视倍增极的材料和工作偏压而定。
N2

N1
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在理想情况下，设阴极和倍增极发射的电子都被阳极所
收集，则光电倍增管的增益G和倍增极的二次电子发射
系数m之间的关系为:
G n
n为倍增极的个数，一般为9~14；
若倍增系数相等，m的取值范围按3~6计，n按9~14计，
则光电倍增管的增益G可高达7.8×1010，一般为105~108
之间。
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4.光电倍增管的阳极电流脉冲与输出电压脉冲
一个光子被光电倍增管的光阴极吸收
后，如果能在阳极形成一个电流脉冲，
则其形状如图（b）所示。其中图（a）
为电荷累积的时间。
电流的脉冲宽度tw 的典型值一般为
10~20ns。
取 光 电 倍 增 管 的 增 益 G=106 ，
tw=20ns，则可计算出阳极电流脉冲的
高度为：
106 q 106  1.6  1019 库仑
Ia 

 8(A)
9
tw
20  10 秒
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阳极输出电压脉冲Va 的形状与大小，
与阳极负载Ra 和分布电容Ca 有很大
的关系。对于设计得好的光子计数器，
Ca≤20pF ， 取 阳 极 负 载 Ra=50Ω ， 则
阳极时间常数RaCa=1ns。在这种情
况下，电压脉冲与电流脉冲形状相同，
如图（c）所示。
加大电容将使脉冲变小变宽；
加大电阻则将使脉冲变大变宽，均
不符合光子计数的要求。
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在正常的RaCa情况下，阳极电压的幅度为
Va  I a  Ra  8(A)  50()  0.4(mV)
注意，这个数据是以光电倍增管的增益G=106为例计算得出的，不同
的光电倍增管，其增益G是不同的，且G与偏置电压有关。
为了使得光子计数器的光电倍增管正常地工作，获得稳定的增益G并
使阳极输出电压有最大的信噪比和窄的脉冲高度，必须设计合理的偏
置电路。
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5.光电倍增管的偏置电路
光电倍增管的偏置电路都是用电阻分压器组成如图。
一般总电压Vak在900~2000V之间，由实验确定。
各倍增极电压在80~150V之间。
各倍增极电压的稳定与否将严重地影响光电倍增管的增益G
的稳定性。
K
A
C3 C2
C1
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分压电阻的选取
为了减小倍增极电流变化带来的倍增极电压不稳，要求各分
压电阻取得适当值以保证流过电阻链的电流IR比最大阳极电流
Iamax大得多。
通常要求
IR≥20Iamax
但是IR值也不能取得太大，否则分压电阻的功耗增大，分压电
阻的功耗过大会使光电倍增管的管壳内温度明显升高，从而增
加热电子发射，即增加了噪声。
分压电阻值通常在20KΩ~1MΩ范围内。
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末极并联稳压电容选取
由于最后几级倍增极的瞬时电流很大，会使R9~R11 上的压
降产生明显的跳变，导致倍增极电压不稳。在最后三级电阻
上并联稳压电容C2、C2和C3，使电阻链上的分压基本不变。
电容值的大小，可根据稳压要求决定。
通常并联电容值在0.002~0.05μF之间。
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接地方式
光电倍增管工作时，阳极电压总是高于阴极电压。但其接地
方式有两种。
一种是阳极为正高压的阴极接地；另一种是阴极为负高压的
阳极接地。
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两种接地方式的优缺点
阴极接地时，阳极输出必须接一个耐高压的电容器，以
便将阳极高压和前置前大器隔离，这个电容器的接入使
得输出端RaCa时间常数变大，破坏了输出的高频特性。
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阳极接地的优点：可直接与前置放大器耦合。缺点是噪声
比较大。
这种接法：阴极为负高压，光电倍增管工作时为了安全一
般外罩必须接地，这就意味着外罩的壁和光电倍增管内部电
极之间有很大的负压，特别是对阳极和靠近阳极的倍增极，
由于这个高压，可能在阴极和倍增极与外罩间形成漏电流，
这个漏电流流经玻璃时会产生荧光。荧光发射的光子将会到
达光阴极，产生误计数。
解决方法：在光电倍增管的管壁和外罩内壁之间加一屏蔽，
并一电阻联到阳极，以避免漏电流流经光电倍增管的管壁，
从而消除了荧光带来的误计数。
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3 光子计数过程中的噪声
一、光子噪声
目前，PMT的光谱响应受光阴极材料的限制，通常只工作在可
见光和近红外光谱段。在这个光谱区域，光子的发射可视为泊
松过程。
( N )b e N
P ( K , ) 
K!
•光阴极发射光电子数目的方差
 p2   N
N  N s  Nb
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二、暗计数噪声
来源
1.环境温度的影响造成光阴极发射的热电子(称为暗电子)。发
射的热电子在PMT中获得的增益较小，因而在阳极输出的电流
脉冲的幅度亦较低，可以来用脉冲幅度鉴别的方法消除。
2.由于PMT工作在高压偏置状态，各电极之间有可能产生放电
而引起场致发光。这种发光将引起光阴极的电子发射，产生暗
计数噪声。
3.PMT内部可能存在的各种离子在高压电场作用下以较大的能
量轰击光阴极而使光阴极产生电子发射。由于轰击的能量较大，
一般情况下会同时激发出两个以上的电子。这样得到的阳极电
流脉冲幅度较大，也可以采取脉冲幅度鉴别的办法消除。
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热噪声引起的暗计数方差
 t2  R 
总的噪声方差
       N  R
2
2
p
2
t
光子计数过程中的信噪比
S / N   Ns  / R 
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4 光子计数器中的放大器
光子计数器中的光电倍增管一般采用阳极接地方式工作，
这样阳极输出电流脉冲可直接耦合到一个低输入阻抗的
宽频带放大器的输入端。
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如果阳极脉冲电流幅度为8μA，宽度为20ns，前置放大
器的输入阻抗为50Ω，则前放输入端电压脉冲幅度为
0.4mV，脉冲宽度亦为20ns。假定该脉冲近似为矩形方波，
该信号的带宽Bf =50MHz；
如果tw=10ns，则B=100MHz。
因此前置放大器的通频带必须大于100MHz。
所以，与光电倍增管阳极输出相连的前置放大器 应是低
噪声宽带放大器。
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5 光子计数器测量弱光的极限
光子计数器是测量弱光的仪器，只能对一定光子速率以下的
光子束进行计数测量。
这个速率是由光电倍增管的渡越时间离散Δτ决定的。若其
决定的输出电流脉冲的半宽度tw为10~20ns，假定后续的放大
器有足够的带宽，鉴别器和脉冲计数器有足够高的速率，为
了分辨每个光电脉冲，可求出允许的光子速率最大值为：
Rmax
1
1


 108
t w 10ns
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以发射560nm波长黄绿光的发光二极管为例，计算其允许
的最大辐射通量为 ：
Pm  hv  Rm  h 
c

Rm  1.18  1011 (W)
实际上光子计数器可以测量计数的弱光的光强要远低于这
个数值，约在10-14瓦以下。有的甚至达到 10-18W。
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用光子计数器对波长为
560nm的弱光进行探测时，
在示波器上显示的光电倍增
（a） 光强10-13瓦光电速率脉冲及噪声
管输出电流波形如图所示。
光功率为10-13瓦时，已看
（b） 光强10-14瓦光电速率脉冲及噪声
不到清晰的脉冲说明光电管
倍增管已来不及分辨单个光
（c） 光强10-15瓦光电速率脉冲及噪声
子了。
（d） 光强10-16瓦光电速率脉冲及噪声
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光子速率R（光子数/秒）和光功率P之间的对应数值关系及适
应的检测方法如下表:
•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10-10W的光束功率，即不能测量含有多光
子的光脉冲功率。
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6 光子计数器中的鉴别器
鉴别器的任务是要将由光子产生的脉冲电压选择出来进行计数
而将倍增极热电子发射产生的小脉冲去掉。
光阴极的热电子发射产生的暗计数脉冲，由于它和光子产生的
脉冲幅度一样，因此鉴别器是无法将它去掉的，这种暗计数只
有通过两次测量进行扣除。
在进行高光功率的测量时，可能存在双光子峰，因此鉴别器还
必须对这种脉冲幅度是正常单光子脉冲2倍的双光子脉冲要输出
2个脉冲供计数器计数。
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双阀值鉴别器方框图如图所示:这种鉴别器由于有二个
阀值电平，故可设有三种工作方式，。
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这种鉴别器由于有二个阀值电平，故可设有三种工作方式
（1）单电平工作方式
（2）窗口工作方式
（3）校正工作方式
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第一鉴别电平和第二鉴别电平值，由PMT的脉冲高度分
布 （PHD）曲线决定
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7 光电倍增管的单光子响应峰
可以通过实验来获得光电倍增管的脉冲高度分布曲线。
下图为测量光电倍增管的脉冲高度分布曲线的原理框图。
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窗口比较器有两个比较电平VH和
VL。VH为上限电平，VL为下限电
平，当输入脉冲高度Vi在VH和VL
之间时，即VH>Vi>VL，窗口比较
器输出一个计数脉冲，供计数器计
数。选定不同的窄窗口，对确定的
时间间隔进行计数，即可作出光电
倍增管的PHD曲线。为了分析和比
较的需要，定义峰谷比和分辨率：
单光子峰的输出脉冲幅度 E P
峰谷比 

谷占输出脉冲幅度
EV
单光子峰的半宽度
E
分辨率 

单光子峰的出脉冲幅度 E P
典型的PHD曲线
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光子计数器中使用的光电倍增管除了要达到前述的有关
特性和要求之外，还应该有明显的单光子响应峰。
峰谷比越大或分辨率越小的光电倍增管越适合于光子计
数器使用。
在低计数率的弱光下不存在明显的双光子峰。
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8 光电倍增管的计数坪区—最佳偏压的选择
对同一个光电倍增管测量它的计数率和阳极与阴极高压
之间的关系时，发现当高压增加时，计数率增加。
随着高压的增加，计数率逐渐出现一个变化缓慢的坪区。
将光电倍增管置于完全黑暗状态测量其暗计数，则发现
暗计数与高压的关系不存在坪区，暗计数是随高压增加
而不断增加。
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PMT的计数坪区
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为了获得最大信噪比，阳极对阴极的高压应选择为ua1即
计数率开始进入坪区时的高压，这是最佳偏置电压。
小的暗计数适合于光子计数器使用。
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