實(shí)驗(yàn)八 單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn).doc

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1、實(shí)驗(yàn)八單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)光子計(jì)數(shù)也就是光電子計(jì)數(shù)，即當(dāng)光流強(qiáng)度小于10?16W時，光的光子流量可降到一毫秒內(nèi)不到一個光子，因此該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)要完成的是對單個光子進(jìn)行檢測，進(jìn)而得出弱光的光流強(qiáng)度，這就是單光子計(jì)數(shù)．它是微弱光信號探測中的一種新技術(shù)。它可以探測弱到光能量以單光子到達(dá)時的能量。目前已被廣泛應(yīng)用于喇曼散射探測、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)、物理學(xué)等許多領(lǐng)域里微弱光現(xiàn)象的研究。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、介紹這種微弱光的檢測技術(shù)；了解SGD-2實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的構(gòu)成原理。2、了解光子計(jì)數(shù)的基本原理、基本實(shí)驗(yàn)技術(shù)和弱光檢測中的一些主要問題

2、。3、了解微弱光的概率分布規(guī)律。二、實(shí)驗(yàn)原理1、光子光是由光子組成的光子流，光子是靜止質(zhì)量為零、有一定能量的粒子。與一定的頻率υ相對應(yīng)，一個光子的能量Ep可由下式?jīng)Q定：Ep=hυ=hc/λ（2－1）式中c=3×108m/s，是真空中的光速；h＝6.6×10－34J·s，是普朗克常數(shù)。例如,實(shí)驗(yàn)中所用的光源波長為λ＝500nm的近單色光，則Ep=3.96×10－19J。光流強(qiáng)度常用光功率P表示，單位為W。單色光的光功率與光子流量R（單位時間內(nèi)通過某一截面的光子數(shù)目）的關(guān)系為：P＝R·Ep（2－2）所以

3、，只要能測得光子的流量R，就能得到光流強(qiáng)度。如果每秒接收到個光子數(shù)，對應(yīng)的光功率為＝104×3.96×10－19＝3.96×10－15W。2、測量弱光時光電倍增管輸出信號的特征在可見光的探測中，通常利用光子的量子特性，選用光電倍增管作探測器件。光電倍增管從紫外到近紅外都有很高的靈敏度和增益。當(dāng)用于非弱光測量時，通常是測量陽極對地的陽極電流(圖2－1（a）)，或測量陽極電阻RL上的電壓(圖2－1（b）)，測得的信號電壓（或電流）為連續(xù)信號；然而在弱光條件下，陽極回路上形成的是一個個離散的尖脈沖。為此，

4、我們必須研究在弱光條件下光電倍增管的輸出信號特征。圖2－1光電倍增管負(fù)高壓供電及陽極電路圖圖2－2光電倍增管陽極波形弱光信號照射到光陰極上時，每個入射的光子以一定的概率（即量子效率）使光陰極發(fā)射一個光電子。這個光電子經(jīng)倍增系統(tǒng)的倍增，在陽極回路中形成一個電流脈沖，即在負(fù)載電阻RL上建立一個電壓脈沖，這個脈沖稱為“單光電子脈沖”見圖（2－2）。脈沖的寬度tw取決于光電倍增管的時間特性和陽極回路的時間常數(shù)RLC0，其中C0為陽極回路的分布電容和放大器的輸入電容之和。性能良好的光電倍增管有較小的渡越時間分

5、散，即從光陰極發(fā)射的電子經(jīng)倍增極倍增后的電子到達(dá)陽極的時間差較小。若設(shè)法使時間常數(shù)較小則單光電子脈沖寬度tw減小到10－30ns。如果入射光很弱，入射的光子流是一個一個離散地入射到光陰極上，則在陽極回路上得到一系列分立的脈沖信號。圖2－3為光電倍增管陽極回路輸出脈沖計(jì)數(shù)率ΔR隨脈沖幅度大小的分布。曲線表示脈沖幅度在V－（V+ΔV）之間的脈沖計(jì)數(shù)率ΔR與脈沖幅度V的關(guān)系，它與曲線（ΔR/ΔV）－V有相同的形式。因此在ΔV取值很小時，這種幅度分布曲線稱為脈沖幅度分布的微分曲線。形成這種分布的原因有以下幾

6、點(diǎn)：圖2－3光電倍增管輸出脈沖幅度分布的微分曲線⑴除光電子脈沖外，還有各倍增極的熱發(fā)射電子在陽極回路形成的熱發(fā)射噪聲脈沖。熱電子受倍增的次數(shù)比光電子少，因此它們在陽極上形成的脈沖大部分幅度較低。⑵光陰極的熱發(fā)射電子形成的陽極輸出脈沖。⑶各倍增極的倍增系數(shù)有一定的統(tǒng)計(jì)分布（大體上遵從泊松分布）。因此，噪聲脈沖及光電子脈沖的幅度也有一個分布，在圖（2－3）中，脈沖幅度較小的主要是熱發(fā)射噪聲信號，而光陰極發(fā)射的電子（包括熱發(fā)射電子和光電子）形成的脈沖，它的幅度大部分集中在橫坐標(biāo)的中部，出現(xiàn)“單光電子峰”。

7、如果用脈沖幅度甄別器把幅度高于Vh的脈沖鑒別輸出，就能實(shí)現(xiàn)單光子計(jì)數(shù)。3、光子計(jì)數(shù)器的組成光子計(jì)數(shù)器的原理方框圖如圖2－4所示。圖2－4典型的光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)⑴光電倍增管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。對光子計(jì)數(shù)器中所用的光電倍增管的主要要求有：光譜響應(yīng)適合于所用的工作波段；暗電流要小（它決定管子的探測靈敏度）；響應(yīng)速度快、后續(xù)脈沖效應(yīng)小及光陰極穩(wěn)定性高。為了提高弱光測量的信噪比，在管子選定之后，還要采取一些措施：①光電倍增管的電磁噪聲屏蔽電磁噪聲對光子計(jì)數(shù)是非常嚴(yán)重的干擾，因此，

8、作光子計(jì)數(shù)用的光電倍增管都要加以屏蔽，最好是在金屬外套內(nèi)襯以坡莫合金。圖2－5光電倍增管的正高壓供電及陽極電路②光電倍增管的供電通常的光電技術(shù)中，光電倍增管采用負(fù)高壓供電，如圖2－1所示,即光陰極對地接負(fù)高壓，外套接地。陽極輸出端可直接接到放大器的輸入端。這種供電方式，光陰極及各倍增極（特別是第一、第二倍增極）與外套之間有電位差存在，漏電流能使玻璃管壁產(chǎn)生熒光，陰極也可能發(fā)生場致輻射，造成虛假計(jì)數(shù)，這對光子計(jì)數(shù)來講是相當(dāng)大的噪聲。為了防止這種噪聲的發(fā)生，必須在管壁與外