光子計(jì)數(shù)技術(shù)

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1、光子計(jì)數(shù)技術(shù)光子計(jì)數(shù)技術(shù)，是檢測(cè)極微弱光的有力手段，這一技術(shù)是通過分辨單個(gè)光子在檢測(cè)器（光電倍增管）中激發(fā)出來的光電子脈沖，把光信號(hào)從熱噪聲中以數(shù)字化的方式提取出來。這種系統(tǒng)具有良好的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性和很高的探測(cè)靈敏度。目前，光子技術(shù)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于科技領(lǐng)域中的極微弱光學(xué)現(xiàn)象的研究和某些工業(yè)部分中的分析測(cè)量工作，如在天文測(cè)光、大氣測(cè)污、分子生物學(xué)、超高分辨率光譜學(xué)、非線性光學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域中，都涉及極微弱光信息的檢測(cè)問題。現(xiàn)代光子計(jì)數(shù)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是：1．有很高的信噪比?；旧舷斯怆姳对龉艿母邏褐绷髀╇娏骱透鞅对鰳O的熱電子發(fā)射形成

2、的暗電流所造成的影響?？梢詤^(qū)分強(qiáng)度有微小差別的信號(hào)，測(cè)量精度很高。2．抗漂移性很好。在光子計(jì)數(shù)測(cè)量系統(tǒng)中，光電倍增管增益的變化、零點(diǎn)漂移和其他不穩(wěn)定因素對(duì)計(jì)數(shù)影響不大，所以時(shí)間穩(wěn)定性好。6-13．有比較寬的線性動(dòng)態(tài)范圍，最大計(jì)數(shù)率可達(dá)10s.4．測(cè)量數(shù)據(jù)以數(shù)字顯示，并以數(shù)字信號(hào)形式直接輸入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。一．實(shí)驗(yàn)的目1．學(xué)習(xí)光子計(jì)數(shù)技術(shù)的原理，掌握光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)中主要儀器的基本操作。2．掌握用光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)檢測(cè)微弱光信號(hào)的方法。了解弱光檢測(cè)中的一些特殊問題。二．實(shí)驗(yàn)原理（一）光子流量和光流強(qiáng)度光是由光子組成的光子流，光子是一種沒

3、有靜止質(zhì)量，但有能量（動(dòng)量）的粒子。一個(gè)頻率為（或波長(zhǎng)為）的光子，其能量為（2－8－1）式中普朗克常量，光速（m／s）。以波長(zhǎng)＝6.310m的氦—氖激光為例，一個(gè)光子的能量為：=(J)一束單色光的功率等于光子流量乘以光子能量，即（2－8－2）光子的流量R（光子個(gè)數(shù)／S）為單位時(shí)間內(nèi)通過某一截面的光子數(shù)，如果設(shè)法測(cè)出入射光子的流量R，就可以計(jì)算出相應(yīng)的入射光功率P。有了一個(gè)光子能量的概念，就對(duì)微弱光的量級(jí)有了明顯的認(rèn)識(shí)，例如，對(duì)于氦—氖激光器而言，1mW的光功率并不是弱光范疇，因?yàn)楣夤β蔖=1mW,則1光子／S所以，1mW的氦—氖

4、激光，每秒有量級(jí)的光子，從光子計(jì)數(shù)的角度看，如此大量的光子數(shù)是很強(qiáng)的光子。對(duì)于光子流量值為1的氦—氖激光，其功率是W。當(dāng)R=10000個(gè)光-16子／s時(shí)，則光功率為W。當(dāng)光功率為10w時(shí)，這種氦—氖激光的近單色光的光子流量為-16當(dāng)光流強(qiáng)度小于10W時(shí)通常稱為弱光，此時(shí)可見光的光子流量可降到一毫秒內(nèi)不到一個(gè)光子。實(shí)驗(yàn)中要完成的將是對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而得出弱光的光流強(qiáng)度，這就是單光子計(jì)數(shù)。（二）用作光子計(jì)數(shù)的光電倍增管。光電倍增管(PMT)是一種高靈敏度電真空光敏器件，在弱光測(cè)量中，人們首先選用它人微言輕光信號(hào)的探測(cè)器件。光電

5、倍增管由光窗、光陰極、倍增極和陽極組成。常用的光電倍增管有盒式結(jié)構(gòu)、直線聚焦結(jié)構(gòu)和百葉窗結(jié)構(gòu)，如圖2－8－1所示。光窗：光線或射線射入的窗口，檢測(cè)不同的波長(zhǎng)的光，應(yīng)選擇不同的光窗玻璃。光陰極：這是接受光子產(chǎn)生光電子的電極，它由光電效應(yīng)概率大而光子逸出功小的材料制造。圖2－8－1光電倍增管的結(jié)構(gòu)倍增極：管內(nèi)光電子產(chǎn)生倍增的電極，在光電倍增管的光陰極及各倍增極上加有適當(dāng)?shù)碾妷?，?gòu)成電子光學(xué)聚集系統(tǒng)。當(dāng)光電倍增管光陰極產(chǎn)生的光電子打到倍增極上產(chǎn)生二次電子時(shí)，這些電子被聚焦到下一級(jí)倍增極上又產(chǎn)生二次電子，因此使管內(nèi)電子數(shù)目倍增。倍增極的

6、數(shù)目有8～13個(gè)，一般電子放大倍數(shù)達(dá)。陽極：這是最后收集電子的電極，經(jīng)過多次倍增后的電子被陽極收集，形成輸出信號(hào)，陽極與末級(jí)倍增極間要求有最小的電容。光電倍增管有兩種高壓偏置方式：一種是陰極接地，陽極接一個(gè)高的正電壓；2另一種是陽極經(jīng)過一個(gè)適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻接地，而使陰極具有一個(gè)高的負(fù)電壓，如圖2－8－2（a）所示。通常采用陽極接地的方法，如圖2－8－2（b）所示，其優(yōu)點(diǎn)在于可直接將陽極連至一個(gè)DC測(cè)量系統(tǒng)或光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)。圖2－8－2光電倍增管的高壓偏置用光電倍增管監(jiān)測(cè)微弱光時(shí)，若光微弱到其光子一個(gè)個(gè)地到達(dá)，則光電倍增管的輸出將是一

7、個(gè)個(gè)分離的電脈沖，假定光陰極的量子效率為1，那么每個(gè)輸出的電脈沖相當(dāng)于一個(gè)光子入射到光陰極上，設(shè)每個(gè)倍增極約產(chǎn)生4個(gè)次級(jí)電子。當(dāng)一個(gè)光子在光陰極上產(chǎn)生一個(gè)電子時(shí)，經(jīng)過逐級(jí)倍增，在陽極可得到大約個(gè)電子。這些電子的總電荷量庫侖。因?yàn)樗鼈兪菐缀跞客瑫r(shí)到達(dá)陽極，對(duì)陽極輸出電容進(jìn)行瞬時(shí)充電，所以在陽極輸出一個(gè)電脈沖，如圖10.4.3所示，陽極電容一般為10PF~100PF,負(fù)載電阻R為50，陽極輸出脈沖電壓

8、V

9、=Q/C=1~10mV。脈沖寬度在10~30ns，由此可見，如果已知光陰陽極在入射光波長(zhǎng)上的量子效率，測(cè)得陽極輸出的脈沖數(shù)，則

10、可以用脈沖計(jì)數(shù)的方法來推算出入射光子流的強(qiáng)度。圖2－8－3光電倍增管的陽極波形然而，光電倍增管由于光陰極和倍增極的熱電子發(fā)射，也會(huì)在陽極輸出一個(gè)3電脈沖，它與入射光的存在與否無關(guān)，所以稱它為暗電流脈沖，即是光電倍增管中的熱噪聲，光陰極造成的熱噪聲脈沖與單光子脈沖