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单光子计数

物理学系刘录081120076

一、引言

通常在一些基本的科研领域，特别是某些前沿学科，诸如高分辨率光谱学、非线性光学、拉曼光谱学、表面物理学的研究方面，都会遇到极微弱的光信息(简称弱光）检测问题。所谓弱光是指光流强度比光电倍增管本身的热噪声(10-14W）还要低，以致用一般的直流检验方法已经很难从这种噪声中检测出信号。

单光子计数是目前测量弱光信号最灵敏和有效的实验手段，这种技术中，一般都采用光电倍增管作为光子到电子的变换器(近年来，也有微通道板和雪崩光电二极管），通过分辨率单个光子在光电倍增管中激发出来的光电子脉冲，利用脉冲高度甄别技术和数字计数技术，把光信号从热噪声中以数字话的方式提取出来。与模拟检测技术相比，单光子计数技术有如下的优点：

消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增极的热发射噪声的影响，提高了测量的信噪比。

时间稳定性好。在单光子计数系统中，光电倍增管漂移、系统增益的变化，零点漂移和其他因素对计数影响不大。

可输出数字信号，能够直接输出给计算机进行分析处理。

有比较宽的探测灵敏度，目前一般的光子计数器探测灵敏度优于10-17W，这是其他探测方法达不到的。

二、实验目的

了解单光子计数工作原理。

了解单光子计数器的主要功能，掌握其基本操作方法。

了解用单光子计数系统检验微弱光信号的方法。

三、实验原理

光子流量和光流强度

光是有光子组成的光子流，单个光子的能量ε与光波频率ν的关系是

ε=hν=hc/λ(1）

式中c是真空中的光速，h是普朗克常数，λ是波长。

光子流量可用单位时间内通过的光子数R表示，光流强度是单位时间内通过的光能量，常用光功率P表示。单色光的光功率P与光子流量R的关系是：

P=Rε(2）

如果光源发出的是波长为630nm的近单色光，可以计算出一个光子的能量ε为

Ε=3.13×10-19J

当光功率为10-16W时，这种近单色光的光子流量为

R=3.19×102s-1

当光流强度小于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，因此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。

测量弱光时光电倍增管的输出特性

当光子入射到光电倍增管的光阴极上时，光阴极吸收光子后将发射出一些光子，光阴极产生的光电子数与入射到阴极上的光子数之比成为量子效率。大多数材料的量子效率都在30%以下。在弱光下广电倍增管输出的光电子脉冲基本上不重叠，所以光子计数实际上是将光电子产生的脉冲逐个记录下来的一种探测技术。当然，从统计意义上说也是单光子基数。

当光强降到10-16W左右时，尽管光信号是有一连续发光的光源发出的，而光电倍增管输出的信号却是一个一个分离的尖脉冲，光子流量与这些脉冲的平均计数率成正比。只要用计数的方法测出单位时间内的光电子脉冲数，就相当于检测了光的强度。

单光电子峰

将光电倍增管的阳极输出脉冲接到脉冲高度记录器作脉冲高度分布分析，可以得到图像：脉冲幅度大小在V到(V+?V）之间的脉冲计数率R与脉冲幅度大小V之间的关系。它与(?R/?V）-V曲线有相同的形式，因此，当?V取值很小时这种幅度分布曲线称为脉冲幅度分布的微分曲线。脉冲幅度较小的主要是热发射噪声信号，而光阴极发射的电子形成的脉冲，其幅度集中在横坐标的中部，形成所谓“单光电子峰”。

形成这种分布的原因是：

(1）光阴极发射的电子，包括光电子和热发射电子，都受到了所有倍增电极的增殖。因此它们的幅度大致接近。

(2）各倍增极的热发射电子经受倍增的次数要比光阴极发射的电子经受的少，因此前者在阳极上形成的脉冲幅度要比后者低。所以途中脉冲幅度较小的部分主要是热噪声脉冲。

(3）各倍增极的倍增系数不是一定值，有一定统计分布，大体上遵守泊松分布。

所以，如果用脉冲高度甄别器将幅度高于谷底的脉冲加以甄别、输出并计数显示，就可能实现高信噪比的单光子计数，大大提高检测灵敏度。

四、实验仪器

实验系统主机、光学系统(光源、探测器）、电子学系统、电脑软件

五、实验内容

1.测量光电倍增管输出脉冲幅度分布的积分和微分曲线，确定测量弱光时的最佳(甄别）电平Vh，并记录最佳阈值。

(1）选择光电倍增管输出的光电信号是分立尖脉冲的光源条件，运行“单光子计数”软件。在模式栏选择“阈值方式”；采样参数栏中的“高压”是指光电倍增管的工作电压，1～8档分别对应620～1320V，由高到低每档按10%递减。一般设为8档。

(2）在工具栏点击“开始”，将范围栏的“起始点”和“终止点”设为0和40，开始