單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

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1、單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解單光子計(jì)數(shù)工作原理。2.了解單光子計(jì)數(shù)器的主要功能，掌握其基本操作方法。3.了解用單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)檢驗(yàn)微弱光信號(hào)的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理1.光子流量和光流強(qiáng)度光是有光子組成的光子流，單個(gè)光子的能量ε與光波頻率ν的關(guān)系是ε=hν=hc/λ(1）式中c是真空中的光速，h是普朗克常數(shù)，λ是波長(zhǎng)。光子流量可用單位時(shí)間內(nèi)通過的光子數(shù)R表示，光流強(qiáng)度是單位時(shí)間內(nèi)通過的光能量，常用光功率P表示。單色光的光功率P與光子流量R的關(guān)系是：P=Rε(2）如果光源發(fā)出的是波長(zhǎng)為630nm的近

2、單色光，可以計(jì)算出一個(gè)光子的能量ε為Ε=3.13×10-19J當(dāng)光功率為10-16W時(shí)，這種近單色光的光子流量為R=3.19×102s-1當(dāng)光流強(qiáng)度小于10-16W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，因此實(shí)驗(yàn)中要完成的將是對(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)。2.測(cè)量弱光時(shí)光電倍增管的輸出特性當(dāng)光子入射到光電倍增管的光陰極上時(shí)，光陰極吸收光子后將發(fā)射出一些光子，光陰極產(chǎn)生的光電子數(shù)與入射到陰極上的光子數(shù)之比成為量子效率。大多數(shù)材料的量子效率都在3

3、0%以下。在弱光下廣電倍增管輸出的光電子脈沖基本上不重疊，所以光子計(jì)數(shù)實(shí)際上是將光電子產(chǎn)生的脈沖逐個(gè)記錄下來(lái)的一種探測(cè)技術(shù)。當(dāng)然，從統(tǒng)計(jì)意義上說也是單光子基數(shù)。當(dāng)光強(qiáng)降到10-16W左右時(shí)，盡管光信號(hào)是有一連續(xù)發(fā)光的光源發(fā)出的，而光電倍增管輸出的信號(hào)卻是一個(gè)一個(gè)分離的尖脈沖，光子流量與這些脈沖的平均計(jì)數(shù)率成正比。只要用計(jì)數(shù)的方法測(cè)出單位時(shí)間內(nèi)的光電子脈沖數(shù)，就相當(dāng)于檢測(cè)了光的強(qiáng)度。3.單光電子峰將光電倍增管的陽(yáng)極輸出脈沖接到脈沖高度記錄器作脈沖高度分布分析，可以得到圖像：脈沖幅度大小在V到(V+?V

4、）之間的脈沖計(jì)數(shù)率R與脈沖幅度大小V之間的關(guān)系。它與(?R/?V）-V曲線有相同的形式，因此，當(dāng)?V取值很小時(shí)這種幅度分布曲線稱為脈沖幅度分布的微分曲線。脈沖幅度較小的主要是熱發(fā)射噪聲信號(hào)，而光陰極發(fā)射的電子形成的脈沖，其幅度集中在橫坐標(biāo)的中部，形成所謂“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接近。(2）各倍增極的熱發(fā)射電子經(jīng)受倍增的次數(shù)要比光陰極發(fā)射的電子經(jīng)受的少，因此前者在陽(yáng)極上形成的脈沖幅度要比后者低。

5、所以途中脈沖幅度較小的部分主要是熱噪聲脈沖。(3）各倍增極的倍增系數(shù)不是一定值，有一定統(tǒng)計(jì)分布，大體上遵守泊松分布。所以，如果用脈沖高度甄別器將幅度高于谷底的脈沖加以甄別、輸出并計(jì)數(shù)顯示，就可能實(shí)現(xiàn)高信噪比的單光子計(jì)數(shù)，大大提高檢測(cè)靈敏度。三、實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主機(jī)、光學(xué)系統(tǒng)(光源、探測(cè)器）、電子學(xué)系統(tǒng)、電腦軟件四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.測(cè)量光電倍增管輸出脈沖幅度分布的積分和微分曲線，確定測(cè)量弱光時(shí)的最佳(甄別）電平Vh，并記錄最佳閾值。(1）選擇光電倍增管輸出的光電信號(hào)是分立尖脈沖的光源條件，運(yùn)行“單光子計(jì)數(shù)

6、”軟件。在模式欄選擇“閾值方式”；采樣參數(shù)欄中的“高壓”是指光電倍增管的工作電壓，1～8檔分別對(duì)應(yīng)620～1320V，由高到低每檔按10%遞減。一般設(shè)為8檔。(2）在工具欄點(diǎn)擊“開始”，將范圍欄的“起始點(diǎn)”和“終止點(diǎn)”設(shè)為0和40，開始采集數(shù)據(jù)，得到一曲線，稱為積分曲線。其斜率最小值處就是閾值電平Vh。(3）在菜單欄點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)/圖形處理”選擇“微分”，再選擇與積分曲線不同的“目的寄存器”運(yùn)行，就會(huì)得到與積分曲線色彩不同的微分曲線。其電平最低谷與積分曲線的最小斜率處相對(duì)應(yīng)，由微分曲線更準(zhǔn)確的讀出Vh=

7、30×10mV=300mV。2.測(cè)量接收光功率(1）在模式欄選擇“時(shí)間方式”，在采樣參數(shù)欄的“閾值”輸入步驟1獲取的Vh值300mV，數(shù)值范圍的終止點(diǎn)設(shè)為50s，積分時(shí)間取1000ms，在工具欄點(diǎn)擊“開始”，單光子計(jì)數(shù)。(2）此時(shí)，光源強(qiáng)度P不變，光子計(jì)數(shù)率RP基本是一條直線；調(diào)節(jié)光功率P的高低，光子計(jì)數(shù)率也隨之變化。測(cè)量三種不同光功率的光計(jì)數(shù)Nt和無(wú)光時(shí)的暗計(jì)數(shù)Nd，計(jì)算出接收光功率Pi。接收光功率Pi和信噪比SNR可分別按以下兩式計(jì)算：Pi=EPRP/η(4）式中EP=3.96×10-19J(5

8、00nm波段光子的能量），RP為計(jì)數(shù)率，等于光計(jì)數(shù)NP除以積分時(shí)間，CR125型光電倍增管對(duì)500nm波段的量子計(jì)數(shù)效率η=15%SNR=(5)式中，Nt為測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)得的總計(jì)數(shù)；Nd為測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)得的背景計(jì)數(shù)；光計(jì)數(shù)NP=Nt-Nd。再根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，利用(3）式推算光功率P0與上述計(jì)算的Pi作比較。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果和數(shù)據(jù)處理閾值方式：時(shí)間方式：NtI=2mANdI=2mANtI=3.8mANdI=3.8mANtI=5.9mANdI=5.9mA六：注意事項(xiàng)1.