第四章：光子计数技术

1Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST一．光子光子能量Ep=hν(J)＝hC/λq(eV)其中，ν=C/λ，ν是光频，h为普朗克常数。光辐射功率P＝REp（W）R：光子速率，单位时间内发射的光子数。Godsaid,Lettherebelight:andtherewaslight.2Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST二.光子计数系统框图稳态光子计数器3Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST门控光子计数器4Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST5Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST4-2光子计数器中的光电检测器件比较6Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST光电倍增管7Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST一．结构与原理1、结构光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极等五个主要部分组成，其外形如图。入射光窗口光电阴极电子倍增器阳极聚焦极管脚8Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST2、工作原理光子透过入射窗口入射到光电阴极上。光电阴极的电子受光子激发，离开表面发射到真空中。光电子通过电场加速和电子光学系统聚焦入射到第一倍增极D1上，倍增极将发射出比入射电子数目更多的二次电子。入射电子经N级倍增极倍增后，光电子就放大N次。经过倍增后的二次电子有阳极A收集起来，形成阳极光电流，在负载RL上产生信号电压。hKAD1D2DnR1R2RnRlV09Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST二．光电倍增管的供电和信号输出电路10Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST三.光子发射的泊松分布11Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST4－3放大器－鉴别器12Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST13Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST1．单电平工作，K3打向1端,上阈值接高电平。2．窗口工作方式，K3打向1端。（异或门：相同出0）3.校正工作方式，K1,K2合上，K3打向2端14Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST4－4光子计数器的测量方法一．光子速率的直接测量法t=N/RCN为计数器C的予置值，RC为时钟发生器的脉冲频率，则光速率为：RA＝NA/t=NARC/N，NA为计数器A在t时间内的计数值。15Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST二．源补偿测量法常用于光源的发光强度不十分稳定的情况16Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST背景补偿系统17Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST有斩光器的光子计数系统工作波形18Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST光子计数技术的应用19Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST光子计数技术的基本过程：1.用光电倍增管检测微弱光的光子流，形成包括噪声信号在内的输出光脉冲。2.利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲和多光子脉冲，只允许单光子脉冲通过，3.利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目的，折算出被测参量。4.为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用双通道测量方法。20Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST光子计数方法的特点：1.只适用于极微弱光的测量，光子的速率限制在大约109/s，相当于1nW的功率，不能测量包括许多光子的短脉冲强度。2.不论是连续的，斩光的，脉冲的光信号都可以使用，能取得良好的信噪比。3.为了得到最佳性能，必须选择光电倍增管和装备带制冷器的外罩。4.不用数模转换即可提供数字输出。21Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST22Prof.Yang,ThecollegeofOpticandElectronicInformationEngineering,USST