單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)2

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1、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。Y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，光子是一種沒有靜止質(zhì)量，但有能量（動(dòng)量）的粒子。一個(gè)頻率為v（或波長為＞1）的光子，其能ft為(2-8-1)式巾普朗克常量*=光速C=10xW*（m/s）o以波長乂=6.3X104m的氮一氖激光為例，一個(gè)光子的能量為：S.?xl0-*x3.0xl^TlxlO(J)-束中.色光的功率等于光子流量乘以光子能量，即(2-8-2)p=rb9光子的流

2、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)于氦一氖激光器而言，lmW的光功率并不是弱光范疇，因?yàn)楣夤β蔖=lmW，貝IJH=—=3.2xiou傘光子/s所以，lmW的氦一氖激光，每秒有If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的氦一氖激光，其功率是HXlO"*W。當(dāng)R=10000個(gè)光子/s時(shí)，則光功率為當(dāng)光功率為1016W時(shí)，這種氦一氖激光的近單色光的光子流量為Irt

3、-W3.16x10?=—一_=3.2x10^當(dāng)光流強(qiáng)度小于1016W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)屮要完成的將是對(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)不同的波長的光，應(yīng)選擇不同的光窗玻璃。光陰極：這是接

4、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。光明極(b)直線聚焦結(jié)構(gòu)???rl!

5、LVA//vr」/z///z/Luv\/\rL/?/廠(a)盒式結(jié)構(gòu)(ri百葉窗結(jié)構(gòu)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)碾妷海瑯?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)倍增極上乂產(chǎn)生二次電子，因此使管內(nèi)電子數(shù)目倍增。倍增極的數(shù)目有8?13個(gè)，一般電子放大倍數(shù)達(dá)1C?-<0。陽極：這是最后收集電子的電極，經(jīng)過多

6、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罝方式：一種是陰極接地，陽極接一個(gè)高的正電壓；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

7、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)樗鼈兪莾汉跞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50fi,陽極輸山脈沖電壓

8、VC卜Q/C=n0mV。脈沖寬度在10~30ns,由此可見，如果己知光陰陽極在入射光波長上的S子效率，測(cè)得陽極輸出的脈沖數(shù)，則可以用脈沖計(jì)數(shù)的方法來推算出入射光子流的強(qiáng)度。圖2-8-3光電倍増管的陽極波形然而，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

9、出一個(gè)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幅度相同，而各倍增極造成的大量的熱噪聲脈沖幅度一般均多于單光子幅度。圖2—8—4是這兩種脈沖幅度的概率分布曲線。由此提供了一個(gè)去除噪聲脈沖的簡單方法，即將光電倍增管的輸出脈沖通過一個(gè)幅度甄別器，調(diào)節(jié)甄別器閥值h,使h〉hi,則可以甄別掉大部分噪聲脈沖，而對(duì)信號(hào)脈沖來說，損失卻是很小的，從而可以大大提高監(jiān)測(cè)信號(hào)的信噪比。閣2-8-4光電子脈沖與熱電子脈沖的幅度分布曲線用于光子技術(shù)的光電倍增管要求光陰極的量子效率要高而穩(wěn)，響應(yīng)速

10、度要快，管子熱噪聲要小，并且要求有明顯的單光子峰。圖2—8—5為光電倍增管PN極回路輸出的脈沖計(jì)數(shù)隨脈沖幅度大小的分布，它是選擇光電倍增管的重要依據(jù)。