单光子计数实验-绝对零度

近代物理实验实验07单光子计数实验1/21实验07单光子计数实验光子计数技术，是检测极微弱光的有力手段，是通过分辨单个光子在检测器（光电倍增管）中激发出来的光电子脉冲，把光信号从热噪声中以数字化的方式提取出来。这种系统具有良好的长时间稳定性和很高的探测灵敏度。目前，光子技术系统广泛应用于科技领域中的极微弱光学现象的研究和某些工业部分中的分析测量工作，如在天文测光、大气测污、分子生物学、超高分辨率光谱学、非线性光学等现代科学技术领域中，都涉及极微弱光信息的检测问题。【实验目的】1.学习光子计数技术的原理，掌握光子计数系统中主要仪器的基本操作。2.掌握用光子计数系统检测微弱光信号的方法，了解弱光检测中的一些特殊问题。【仪器用具】SGD-2型单光子计数系统、示波器、计算机。【实验原理】（一）光子流量和光流强度光是由光子组成的光子流，光子是一种没有静止质量，但有能量（动量）的粒子。一个频率为v（波长为）的光子，其能量为/hchvEp（1）式中普朗克常量sJh341063.6，光速smc/100.38。以波长为m7103.6的氦-氖激光为例，单个光子能量为JEp19101.3。将单位时间内通过某一截面的光子数R称为光子流量。并进一步将单位时间内通过该截面的光能量定义为光流强度，用光功率P表示。一束单色光的光功率功率等于光子流量乘以光子能量，即近代物理实验实验07单光子计数实验2/21pERP（2）如果设法测出入射光子流量R，就可以计算出相应的入射光功率P。有了单光子能量的概念，就对微弱光的量级有了明显的认识，例如对于氦-氖激光器而言，1mW的光功率并不是弱光范畴，因为光功率P=1mW，其光子流量为115102.3sR；所以，1mW的氦-氖激光，每秒有1015量级的光子，从光子计数的角度看，如此大量的光子数属于强光。对于光子流量值为1s-1的氦-氖激光，其功率是W19101.3；当R=10000s-1时，则光功率为W15101.3；当光功率为10-16W时，其光子流量为12102.3s。当光流强度（光功率）小于10-16W时通常称为弱光，此时可见光的光子流量可降到一毫秒内不到一个光子。本实验中要完成的将是对单个光子进行检测，进而得出弱光的光流强度，这就是单光子计数。（二）单光子计数工作原理1．光子计数器工作原理当光强微弱到一定程度时，光的量子特征开始突出起来，例如He-Ne激光光源，其每个光子的能量为3.1910-19J。当光功率小于10-11W时，相当光子的发射率为108光子数/秒，即光子的发射周期约为10-8秒，刚好是光电倍增管（简称PMT）输出脉冲可分辨的极限宽度（即PMT响应时间）。这样，PMT的输出呈现出脉冲序列的特点，可测得一个个不重叠的光子能量脉冲。光子计数器就是利用光信号脉冲和噪声脉冲之间的差异，如幅度上的差异，通过一定的鉴别手段进行工作，从而达到提高信噪比的目的，图1是光子计数器的原理方框图。图1单光子计数器框图放大器的功能是把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大，经过放大后的信号要便于脉冲幅度鉴别器的鉴别。由于光子信号的半宽度约为10~30ns，因此放大器需要足够的带宽，常近代物理实验实验07单光子计数实验3/21用的放大器带宽为100~200MHz，上升及下降时间要求小于3ns，同时放大器还要求有好的线性度（1%）和良好的增益稳定性，而放大倍数仅需10~200倍即可。计数器的作用是在规定的测量时间间隔内将甄别器的输出脉冲累加计数，要求有较久的计数率，一般为100MHz，和有高的计数容量（108数据通道）。2.光电倍增管的结构和工作原理（1）光电倍增管的结构光电倍增管(英文简称PMT)是一种高灵敏度的真空光敏器件，在弱光测量中，人们首先选用它作为弱光信号的探测器件，用作光子计数。光电倍增管由光窗、光阴极、倍增极和阳极组成。常用的光电倍增管有盒式结构、直线聚焦结构和百叶窗结构，如图2所示。光窗：光线或射线射入的窗口，检测不同的波长的光，应选择不同的光窗玻璃。光阴极：接受光子产生光电子的电极，由光电效应概率大而光子逸出功小的材料制造。图2光电倍增管的结构倍增极：管内光电子产生倍增的电极，在光电倍增管的光阴极及各倍增极上加有适当的电压，构成电子光学聚集系统。当光电倍增管光阴极产生的光电子打到倍增极上产生二次电子时，这些电子被聚焦到下一级倍增极上又产生二次电子，因此使管内电子数目倍增。倍增极的数目有8～13个，如图3所示，一般电子放大倍数达9610~10。图3光电倍增管结构图近代物理实验实验07单光子计数实验4/21阳极：是最后收集电子的电极，经过多次倍增后的电子被阳极收集，形成输出信号，阳极与末级倍增极间要求有最小的电容。光电倍增管有两种高压偏置方式：一种是阴极接地，阳极接一个高的正电压；另一种是阳极经过一个适当的负载电阻接地，而使阴极具有一个高的负电压，如图4（a）所示。通常采用阳极接地的方法，如图4（b）所示，其优点在于可直接将阳极连至一个DC测量系统或光子计数系统。图4光电倍增管的高压偏置（2）光电倍增管用作光子计数的工作原理当一个光子入射到光阴极K上，可能使光阴极上以几率逸出电子称为量子效率。这个光电子继续被更高的电压加速而飞向第二倍增极。若每一前级光电子打出mi个次级电子，如此下去，到达阳极时总电子数可倍增管的效益为nnmmmmA121（3）上式中n为倍增极的数目。当光阴极上逸出一个光电子，将在阳极回路中输出电荷Qa＝A1.610-19C。由于各光电子到达一倍增极的时间和路径不完全相同（称为渡越时间的离散）而使输出的阳极电流脉冲dtdQa/呈一定的宽度R，见图5（a），其典型值为10～20ns。为简单起见，设输入脉冲呈矩形，见图5（b），其半高宽为t，则电流tQIaa/。对nst10近代物理实验实验07单光子计数实验5/21的情况且增益A＝106时，AIa16，在负载电阻Ra上产生一个电压脉冲，称为单光子电压脉冲。R决定于PMT的时间特性及阳极回路的时间常数RaCa（Ca为阳极回路的分布电容和放大器输入电容之和）。在光子计数器中宜用较低的负载电阻以获得大的时间常数将输入脉冲积分成一个高的直流信号形成对照，见图5（c）。当选用Ra＝50，则前面所举例中光电倍增管的输出脉冲幅度mVRIVaaa8.0。由此可见，如果已知光阴阳极在入射光波长上的量子效率，并测得阳极输出的脉冲数，则可以用脉冲计数的方法来推算出入射光子流的强度。图5光电倍增管的阳极波形然而，光电倍增管由于光阴极和倍增极的热电子发射，也会在阳极输出一个电脉冲，它与入射光的存在与否无关，所以称它为暗电流脉冲，即是光电倍增管中的热噪声，光阴极造成的热噪声脉冲与单光子脉冲幅度基本相同，难以与真正的光信号脉冲相区别。只有通过选择适当的光电倍增管（要求低暗电流、小的光阴面积、最小的红波响应等）和采用致冷技术对它加以限制。各倍增极的热发射电子也会在阳极回路中形成热发射噪声脉冲，但其倍增次数比光电子少，因而在阳极上形成脉冲幅度较低，可用甄别器将它去除而不进入计数系统。图6光电子脉冲与热电子脉冲的幅度分布曲线（微分形式）近代物理实验实验07单光子计数实验6/21此外，各倍增极的倍增系数m不是常数而遵从泊松分布。因此，光电子脉冲和噪声脉冲幅度也有一个分布。图6为光电倍增管阳极回路输出脉冲计效率R随脉冲幅度大小的分布。曲线表示脉冲幅度在V至VV间的脉冲计数串R与脉冲幅度V的关系。图中脉冲幅度较小的主要是倍增极热发射噪声信号。而光阴极发射的电子（包括光电子和光阴极热发射电子）形成的脉冲幅度大部集中于横坐标中部，形成“单光电子峰”。将脉冲幅度用甄别器将高于Vh的脉冲鉴别输出，并采取措施限制热发射电子的产生，就可实现单光子计数。用于光子技术的光电倍增管要求光阴极的量子效率要高而稳，响应速度要快，管子热噪声要小，并且要求有明显的单光子峰。图7为光电倍增管阳极回路输出的脉冲计数随脉冲幅度大小的分布，它是选择光电倍增管的重要依据。若定义vpEE谷点输出脉冲幅度度单光子峰的输出脉冲幅峰谷比，（4）pEE度单光子峰的输出脉冲幅单光子峰的半宽度分辨率，（5）则峰谷比越大或分辨率越小的光电倍增管，越适合用作弱光检测，峰谷比与光电倍增管工作温度有关，温度越低，峰谷比越大，通常要求光电倍增管处于低温下工作，以降低热噪声。图7光电倍增管的脉冲幅度分布（微分）曲线近代物理实验实验07单光子计数实验7/21（3）光电倍增管探测弱光时输出信号的特征应当指出，只有在入射光很弱，入射的光子流是一个一个离散地入射到光阴极上时，才能在阳极回路中得到一系列分立的脉冲信号。图8是用示波器观察到的光电倍增管弱光输出信号经放大器放大后的波形。当WP1310时，光电子信号是一叠加有闪烁噪声的直流电平，如图8（a）；当WP1410时，直流电平减小，脉冲重叠减少，但仍在基线上起伏，如图8（b）；光流继续下降达WP1510时，基线形如稳定，重叠脉冲极少，如图8（c）；当WP1610时，脉冲无重叠，直流电平趋于零。如图8（d）。由图8可知，当光流量降至WP1610时，虽然光信号是持续照射的，但光电倍增管输出的光电信号却是分立的尖脉冲。这些脉冲的平均计数率与光子的流量成正比。可见光子计数器在探测弱光时发挥其优越性。（4）单光子计数系统对光电倍增管的要求光电倍增管的性能直接关系到计数系统能否正常工作，除要求光电倍增管要有小的暗电流、快的响应速度和光阴极稳定性高（低的热发射率）外，还需采取下列技术措施以提高信噪比：(1)对电磁噪声的屏蔽，光子计数易受电磁噪声的干扰，必须加以屏蔽，其方法是在光电倍增管的金屑外套内衬以玻莫合金；(2)光电倍增的供电，用于光子计数器的光电倍增管常采用如图3中描述的高压供电电路，即阳极输出电流信号，光阴极和外壳接地。对于一定的光照强度，光电倍增管的阳极输出计数率（正比于阳极电流）随所加工作电压而变化，如图9中曲线（1）。由图可见，当加速电压较低时，计数率随加速电压增大而直线上升。然后计数率变化缓慢形成“平台”，最后又随加速电压迅速上升。而PMT的暗计数（主要来自光阴和各倍增极热电子发射）随加速电压的变化如曲线（2）。为了获得图8各种不同光强下光电倍增管输出信号波形近代物理实验实验07单光子计数实验8/21最佳信噪比（SNR）和稳定的计数率，光电倍增管的工作电压应选在平台的前端，此处计数率不因加速电压的不稳定而产生大的变化，且暗计数较小。图9光子计数率（曲线1）和暗计数（曲线2）随光电倍增管工作电压的变化3.甄别器的工作原理前面我们已经讨论了适用于光子计数器的光电倍增管，希望其具有最小的暗计数率以及有明显的单光子峰。这样，光电倍增管输出的电脉冲经过前置放大后，再通过幅度甄别器弃除大部分的热电子噪声脉冲，从而选出光电子脉冲，甄别器可以具有第一甄别电平和第二甄别电平，两者相差V。当V为允许脉冲通过的阀值时，这种方式称之为窗式工作方式，如图9所示：图10根据脉冲幅度分布设置甄别电平1V和2V根据光电倍增管的脉冲幅度分布曲线设定，分别抑制脉冲幅度低的暗噪声与脉冲幅度高的由宇宙射线和天电干扰等造成的外来干扰脉冲，经过甄别器鉴别的输出信号是近代物理实验实验07单光子计数实验9/21一个幅度与宽度标准化的脉冲，最后通过计数器或定标器记录，可测得排除大部分噪声的信号光子数。脉冲幅度甄别器的主要任务就是剔除噪声脉冲，把淹没在噪声信号中的光子信号筛选出来，以达到真正的光子计数的目的。在脉冲幅度甄别器里设置有一个连续可调的比较电压Vh。只有高于Vh的脉冲，才能通过甄别器得到输出。如果把甄别电平选在图6的谷点对应的脉冲高度上，就能去掉大部分噪声脉冲而只有光电子脉冲通过，从而提高信噪比。以上为一般模式（积分模式，图12）下甄别器工作原理，图11-a为放大后信号脉冲，图11-b为甄别后输出脉冲。图11-a图11-b图11-c图11-d图12光电倍增管脉冲高度分布-积分曲线近代物理实验实验07单光