《單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)》ppt課件

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1、單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)姜志龍電科09109461114單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)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)。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)λ=600nm的桔紅色光，每個(gè)光子的能量約為3.3×10-19J。如果用R（CPS）表示表示到達(dá)光陰極的光子通量（光子數(shù)/秒），則光

2、束功率P和光子通量R之間的關(guān)系為: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103.3×10-18光子計(jì)數(shù)1023.3×10-171033.3×10-161043.3×10-15微弱光1053.3×10-141063.3×10-13鎖相放大1073.3×10-121083.3×10-111093.3×10-10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)量含有多光子的光脈沖功率。光電倍增管的工作原理如圖1所示。它是

3、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η)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。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

4、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)。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

5、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。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

6、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。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)準(zhǔn)脈沖。如果把甄別電平選在圖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，

7、以保證不漏計(jì)。甄別器輸出經(jīng)過整形的脈沖。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：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

8、。其信號(hào)的不確定度通常用均方根偏差σ來表示。其中，η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=ηRt是時(shí)間間隔t內(nèi)光電倍增管的光陰極