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1、實驗八單光子計數(shù)在天文測光、大氣測污、分子生物學、超高分辨率光譜學、非線性光學等現(xiàn)代科學技術領域中，都涉及極微弱光信息的檢測問題．光子計數(shù)技術就是檢測弱光信號的一種新技術．這一技術是通過分辨單個光子在檢測器(通常是光電倍增管)中激發(fā)出來的光電子脈沖，把光信號從熱噪聲中以數(shù)字化的方式提取出來．弱光信號是時間上比較分散的光子流，因而由檢測器輸出的將是自然離散化的電信號．針對這一特點，采用脈沖放大，脈沖甄別和數(shù)字計數(shù)技術，可以大大提高弱光探測的靈敏度,一般可以優(yōu)于10?17W，這是其他探測方法所不能比擬的．現(xiàn)代光子計數(shù)技術的優(yōu)點是：(1)有很高的信噪比．
2、基本上消除了光電倍增管的高壓直流漏電流和各倍增極的熱電子發(fā)射形成的暗電流所造成的影響．可以區(qū)分強度有微小差別的信號，測量精度很高．(2)抗漂移性很好．在光子計數(shù)測量系統(tǒng)中，光電倍增管增益的變化，零點漂移和其他不穩(wěn)定因素對計數(shù)影響不大，所以時間穩(wěn)定性好．(3)有比較寬的線性動態(tài)范圍，最大計數(shù)率可達106s?1．目前用于光子計數(shù)的探測器有常規(guī)的PMT，也有微多通道板PMT和雪崩光電二極管等新型器件。這些器件拓寬了光子計數(shù)應用的光波長范圍?！緦嶒災康摹?1)學習光子計數(shù)技術的基本實驗方法；(2)通過實驗了解光子計數(shù)方法和弱光檢測中的一些特殊問題．【實驗原
3、理】1.光子流量和光流強度光是由光子組成的光子流，單個光子的能量與光波頻率的關系是(6-8-1)光子流量可用單位時間內通過的光子數(shù)表示，光流強度是單位時間內通過的光能量，用光功率表示．單色光的光功率與光子流量的關系是：(6-8-2)如果光源發(fā)出的是波長為500nm的近單色光，可以計算出這種光子的能量為當光功率為時，這種近單色光的光子流量為當光流強度小于時通常稱為弱光，此時可見光的光子流量可降到一毫秒內不到一個光子，因此實驗中要完成的將是對單個光子進行檢測，進而得出弱光的光流強度，這就是單光子計數(shù)．2.光電倍增管輸出的信號波形在弱光檢測中光電倍增管是
4、最合適的探測器件如圖6-8-1(a)所示．當光子入射到光電倍增管的光陰極上時，光陰極吸收光子后將發(fā)射出一些光電子，光陰極產生的光電子數(shù)與入射到陰極上的光子數(shù)之比稱為量子效率．大多數(shù)材料的量子效率都在30％以下，也就是說每100個入射光子大約只能記錄下30個．在弱光下光電倍增管輸出的光電子脈沖基本上不重疊，所以光子計數(shù)實際上是將光電子產生的脈沖逐個記錄下來的一種探測技術．當然，從統(tǒng)計意義上說也是單光子的計數(shù)．如圖6-8-1(a)所示，光陰極上發(fā)射出的光電子，經聚焦和加速打到第一倍增極上，將在第一倍增極上“打出”幾倍于入射電子數(shù)目的二次電子．這些二次電
5、子被加速后打到第二倍增極上，……接連經過幾個或十幾個倍增極的增殖作用后，電子數(shù)目最高可增加到108．最后由陽極收集所有的電子，在陽極回路中形成一個電脈沖信號．如圖6-8-1(b)所示，脈沖寬度tw與光電倍增管的時間特性以及陽極回路的時間常數(shù)RLC有關（C為陽極回路的分布電容與放大器的輸入電容之和）．性能良好的光電倍增管配合以盡可能小的RLC，可使脈沖寬度只有10~30ns.圖6-8-1在非弱光測量中，由于光子流量較大，測得的光電倍增管輸出信號為連續(xù)信號，見圖6-8-2(a)．而在測量弱光時，光子流量很小，相鄰兩光子間的時間間隔可達毫秒量級，陽極回路
6、中輸出的是一個個離散的尖脈沖(tw~10ns)，見圖6-8-2(b)．(a)在強光信號下 (b)在弱光信號下圖6-8-2圖6-8-3是由示波器觀察到的放大后的光電倍增管輸出信號波形．圖中橫坐標為時間．當光強降到10-16W左右時，盡管光信號可以是由一連續(xù)發(fā)光的光源發(fā)出的，而光電倍增管輸出的電信號卻是一個一個分離的尖脈沖，光子流量與這些脈沖的平均計數(shù)率成正比．只要用計數(shù)的方法測出單位時間內的光電子脈沖數(shù)，就相當于檢測了光的強度．(a)光流強度約10-13瓦,光電子信號是在直流電平上疊加閃爍噪聲(b)光流強度約10-17..瓦,直流電
7、平減小,脈沖重疊減少但仍存在基線起伏(c)光流強度約10-16.瓦,基線開始穩(wěn)定,重疊脈沖極少(d)光流強度約10-17.瓦,脈沖無重疊,基線趨于平直圖6-8-3各種不同光強信號下光電倍增管的輸出波形3.單光電子峰將光電倍增管的陽極輸出脈沖接到脈沖高度記錄儀器，例如多道分析器作脈沖高度分布分析(PHA)，可以得到如圖6-8-4所示的分布．光陰極發(fā)射的電子(包括光電子和熱發(fā)射電子)所形成的各脈沖的幅度近于一致，造成圖中的“單光電子峰”．形成這種分布的原因是：(1)光陰極發(fā)射的電子，包括光電子和熱發(fā)射電子，都受到了所有倍增電極的增殖．因此它們的幅度大致
8、接近．(2)各倍增極的熱發(fā)射電子經受倍增的次數(shù)要比光陰極發(fā)射的電子經受的少，因此前者在陽極上形成的脈沖幅度要比后者低．所以
