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)光子的能量與光波頻率 V 的關(guān)系是=hv=hc/入(1)式中 c 是真空中的光速，h 是普朗克常數(shù)，入是波長(zhǎng)。光子流量可用單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的光子數(shù) R 表示，光流強(qiáng)度是單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)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=R(2)如果光源發(fā)出的是波長(zhǎng)為 630nm 的近單色光，可以計(jì)算出一個(gè)光子的能量為E=3.13x10-19J 當(dāng)光功率為

2、 10-16W 寸，這種近單色光的光子流量為R=3.19X102s-1當(dāng)光流強(qiáng)度小于 10-16W 時(shí)通常稱(chēng)為弱光，此時(shí)可見(jiàn)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 30 減下。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(shuō)也是單光子

3、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 至|J(V+?V)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(xiàn)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(xiàn)稱(chēng)為脈沖幅度分布的微分曲線(xiàn)。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

4、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。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)

5、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(xiàn)，確定測(cè)量弱光時(shí)的最佳(甄別)電平Vi,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)”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，18 檔分別對(duì)應(yīng) 6201320V,由高到低每檔按 10%!減。一般設(shè)為 8 檔。(2)在工具欄點(diǎn)擊“開(kāi)始”，將范圍欄的“起始點(diǎn)”和“終止點(diǎn)”設(shè)為 0 和 40,開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，得到一曲線(xiàn)，稱(chēng)為積分曲線(xiàn)。其斜率最小值處就是閾值電平 Vho(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(xiàn)不同的“目的寄存器”運(yùn)行，就會(huì)

6、得到與積分曲線(xiàn)色彩不同的微分曲線(xiàn)。其電平最低谷與積分曲線(xiàn)的最小斜率處相對(duì)應(yīng)，由微分曲線(xiàn)更準(zhǔn)確的讀出 M=30X10mV=300mV2,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 M 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(kāi)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(xiàn)；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) N 和無(wú)光時(shí)的暗計(jì)數(shù) Nd,計(jì)算出接收光功率 R。接收光功率 P 和信噪比 SNRT 分別按以下兩式計(jì)算：Pi=EpR/r(4)

7、式中 EP=3.96X10-19J(500nm 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)效率刀=15%式中，N 為測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)得的總計(jì)數(shù)；尺為測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)測(cè)得的背景計(jì)數(shù)；光計(jì)數(shù) N=N-Ndo再根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，利用(3)式推算光功率 R 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:-1*Q-，中、擊卬IZESNR=NtNtNd(5)時(shí)間方式:NtI=2mANdI=2mANtI=3.8mAn*：)31J1NdI=3.8mANdI=5.9mA六：注意事項(xiàng)1 .光電倍增管要在無(wú)光環(huán)境下保存，加高壓后嚴(yán)禁

8、強(qiáng)光照射。2 .光電倍增管需要長(zhǎng)時(shí)間工作才能趨于穩(wěn)定。因此，開(kāi)機(jī)后需要經(jīng)過(guò)充分的預(yù)熱時(shí)間才能經(jīng)過(guò)測(cè)量.3 .測(cè)量時(shí)應(yīng)避免雜散光的影響。七、思考題1 .為什么由持續(xù)照射的光源得到的弱光信號(hào)可以用脈沖計(jì)數(shù)的方法檢測(cè)？答：當(dāng)被檢測(cè)的光非常微弱時(shí)，光顯示了粒子性。可以認(rèn)為光電檢測(cè)器接收的是單個(gè)離散的光子，相應(yīng)的電信號(hào)就是離散的電脈沖信號(hào)，因而可以用脈沖計(jì)數(shù)的方法檢測(cè)。在弱光探測(cè)中，一般都采用光電倍增管作為光子到電子的變換器。光功率愈大，脈沖的平均速率愈高。當(dāng)光功率足夠強(qiáng)時(shí)，這些脈沖就相互重迭，連成一片，而具有顯著的直流分量。這是因?yàn)楣怆姳对龉芟盗孔犹綔y(cè)器件，一個(gè)個(gè)光子撞擊到光陰極上，產(chǎn)生光電發(fā)射，經(jīng)倍增后，在陽(yáng)極上便可釋放出大量的電荷而形成脈沖。脈沖寬度與渡越時(shí)間分散及光電倍增管輸出回路的時(shí)間常數(shù)有關(guān)。當(dāng)后者與前者相比小得可以忽略時(shí)，則脈寬主要由渡越時(shí)間分散決定，一般為 10-30毫微秒左右。此脈沖的平均速率與光子流的速率成一定的比例，故而我們只要在一定時(shí)間內(nèi)計(jì)數(shù)此光電子脈沖，便等于檢測(cè)了光流的強(qiáng)度。由此構(gòu)成一種新的弱光