5.光子計(jì)數(shù)技術(shù)

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1、光電信號(hào)處理華中科技大學(xué)光電學(xué)院光電測(cè)控技術(shù)與儀器系第五章光子計(jì)數(shù)技術(shù)第五章光子計(jì)數(shù)技術(shù)§5.1光電倍增管§5.2光電倍增管的偏置電路與接地方式§5.3光子計(jì)數(shù)器中的放大器§5.4光子計(jì)數(shù)器測(cè)量弱光的上限§5.5光子計(jì)數(shù)器中的鑒別器§5.6光電倍增管的單光子響應(yīng)峰§5.7光電倍增管的計(jì)數(shù)坪區(qū)——最佳偏壓的選擇§5.8光子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差分析§5.9光子計(jì)數(shù)器的測(cè)量方法與應(yīng)用§5.10模擬光子計(jì)數(shù)器單光子探測(cè)技術(shù)是一種極微弱光探測(cè)法所探測(cè)的光強(qiáng)度比光電傳感器本身在室溫下的熱噪聲水平（10-14W）還要低，用通常的直流檢測(cè)方法不能把這種湮沒在噪聲中

2、的信號(hào)提取出來。單光子計(jì)數(shù)方法利用弱光照射下光子探測(cè)器輸出電信號(hào)自然離散的特點(diǎn)，采用脈沖甄別技術(shù)和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)把極其微弱的光信號(hào)識(shí)別并提取出來。光子計(jì)數(shù)技術(shù)概述單光子探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域：高分辨率的光譜測(cè)量、非破壞性物質(zhì)分析、高速現(xiàn)象檢測(cè)、精密分析、大氣測(cè)污、生物發(fā)光、放射探測(cè)、高能物理、天文測(cè)光、光時(shí)域反射、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)等。由于單光子探測(cè)器在高技術(shù)領(lǐng)域的重要地位，已經(jīng)成為各國(guó)光電子學(xué)界重點(diǎn)研究的課題之一單光子探測(cè)技術(shù)和模擬檢測(cè)技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：●測(cè)量結(jié)果受光電探測(cè)器的漂移、系統(tǒng)增益變化以及其它不穩(wěn)定因素的影響較?。弧裣颂綔y(cè)器的大部分熱

3、噪聲的影響，大大提高了測(cè)量結(jié)果的信噪比；●有比較寬的線性動(dòng)態(tài)區(qū)；●輸出數(shù)字信號(hào)，適合與計(jì)算機(jī)接口連接進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理。單光子計(jì)數(shù)器的組成單光子計(jì)數(shù)器由光電倍增管（PMT），前置放大器，幅度鑒別器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。高壓電源是使PMT正常工作；PMT必須配備制冷器以減少陰極的熱電子發(fā)射。系統(tǒng)工作原理PMT陰極接受光輻射，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過打拿極放大，輸出至陽極。陽極產(chǎn)生電流脈沖并經(jīng)過陽極負(fù)載輸出，經(jīng)過放大器信號(hào)放大后送到鑒別器，鑒別器通過設(shè)置第一鑒別電平和第二鑒別電平來減少暗電流和干擾，計(jì)數(shù)器計(jì)得信號(hào)脈沖的個(gè)數(shù)并顯示出來。單光子計(jì)數(shù)的光電器件可用來

4、作為單光子計(jì)數(shù)的光電器件有許多種，光電倍增管（PMT）雪崩光電二極管（APD）增強(qiáng)型光電極管（IPD）微通道板（MCP）微球板（MSP）真空光電二極管（VAPD）1、光電倍增管（PMT）單光子探測(cè)器單光子探測(cè)需要的光電倍增管要求：增益高、暗電流小、噪聲低、量子效率高、較小的上升和下降時(shí)間。特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：有高的增益（104～107）大光敏面積低的噪聲等效功率（NEP）缺點(diǎn)：體積龐大、量子效率低下、反向偏壓高、僅能夠工作在UV和可見光譜范圍內(nèi)，抗外部磁場(chǎng)能力較差。2、雪崩光電二極管（APD）單光子探測(cè)器雪崩光電二極管不同于光電倍增管它是一種建立在內(nèi)光

5、電效應(yīng)基礎(chǔ)上的光電器件。雪崩光電二極管具有內(nèi)部增益和放大的作用，一個(gè)光子可以產(chǎn)生10~100對(duì)光生電子空穴對(duì)，從而能夠在器件內(nèi)部產(chǎn)生很大的增益。雪崩光電二極管的工作原理：工作在反向偏壓下，反向偏壓越高，耗盡層當(dāng)中的電場(chǎng)強(qiáng)度也就越大。當(dāng)耗盡層中的電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到一定程度時(shí)（材料不同，電場(chǎng)大小也不一樣，如：Si-APD為105V/cm），耗盡層中的光生電子空穴對(duì)就會(huì)被電場(chǎng)加速，而獲得巨大的動(dòng)能，它們與晶格發(fā)生碰撞，就會(huì)產(chǎn)生新的二次電離的光生電子空穴對(duì)，新的電子空穴對(duì)又會(huì)在電場(chǎng)的作用下獲得足夠的動(dòng)能，再一次與晶格碰撞又產(chǎn)生更多的光生電子空穴對(duì)，如此下去，

6、形成了所謂的“雪崩”倍增，使信號(hào)電流放大。目前應(yīng)用的APD主要有三種：Si-APD、Ge-APD和InGaAs-APD。它們分別對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)。Si-APD主要工作在400nm～1100nm，Ge-APD在800nm～1550nm，InGaAs-APD則在900nm～1700nm。已經(jīng)有了相關(guān)的報(bào)道：在光通信三個(gè)波段（即850nm、1310nm和1550nm）的單光子探測(cè)器用于量子密鑰系統(tǒng)。國(guó)內(nèi)成功地制作了850nm波長(zhǎng)的單光子探測(cè)器，并在850nm的單模光纖中完成了量子密碼通信演示性實(shí)驗(yàn)。APD單光子計(jì)數(shù)具有量子效率高、功耗低、工作頻譜范圍大

7、、體積小、工作電壓較低等優(yōu)點(diǎn)，但是同時(shí)也有增益低、噪聲大，外圍控制電路及熱電制冷電路較復(fù)雜等缺點(diǎn)?？偟膩碚f，比起國(guó)外目前的水平，我國(guó)在單光子探測(cè)領(lǐng)域還有較大差距。3、真空雪崩光電二極管（VAPD）單光子探測(cè)器針對(duì)PMT和APD的缺點(diǎn)，目前開發(fā)出一種真空雪崩光電二極管（VAPD）單光子探測(cè)器，它是由光陰極和一個(gè)具有大光敏區(qū)面積的半導(dǎo)體硅APD組成。光陰極和APD之間保持高真空態(tài)，光子信號(hào)打到光陰極上，產(chǎn)生光電子，這些光電子在高壓電場(chǎng)的作用下加速，然后再打到APD上。對(duì)于硅APD，這些光電子的能量約為硅帶隙能量的2000倍，這樣一個(gè)光電子就能產(chǎn)生大

8、于2000對(duì)的電子空穴對(duì)。在VAPD中，Si-APD的典型增益為500倍，因而VAPD的增益可以達(dá)到106倍。VAPD單光子探測(cè)器是一種PMT和APD