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1、单光子计数第1页，本讲稿共18页1.实验目的2.实验原理 3.实验装置4.实验内容及步骤内容及步骤5.注意事项注意事项第2页，本讲稿共18页 掌握一种弱光检测技术掌握一种弱光检测技术 了解光子计数方法的基本原理、基本实验技术了解光子计数方法的基本原理、基本实验技术 和弱光检测中的一些主要问题。和弱光检测中的一些主要问题。1.实验目的第3页，本讲稿共18页2.实验原理 随着近代科学技术的发展，人们对极微弱光的信息检测产生越来随着近代科学技术的发展，人们对极微弱光的信息检测产生越来越浓厚的兴趣。单光子探测技术再高分辨率的光谱测量，非破坏性物越浓厚的兴趣。单光子探测技术再高分辨率的光谱测量，非破坏性
2、物质分析，高速现象检测，精密分析，大气测污，生物发光，放射探测，质分析，高速现象检测，精密分析，大气测污，生物发光，放射探测，高能物理，天文测光，光时域反射，量子密钥分发系统等领域有着广高能物理，天文测光，光时域反射，量子密钥分发系统等领域有着广泛应用。它已经成为各个发达国家光电子学界研究的课题之一泛应用。它已经成为各个发达国家光电子学界研究的课题之一 。所谓弱光，是指光电流强度比光电倍增管本身在室温下的热噪声水平所谓弱光，是指光电流强度比光电倍增管本身在室温下的热噪声水平（10-14W10-14W）还要低的光。因此，用通常的直流测量方法，已不能把）还要低的光。因此，用通常的直流测量方法，已不
3、能把淹没在噪声中的信号提取出来。淹没在噪声中的信号提取出来。近年来，由于锁定放大器在信号频带很宽或噪声与信号有同样频谱时近年来，由于锁定放大器在信号频带很宽或噪声与信号有同样频谱时就无能为力了，而且它还受模拟积分电路飘移的影响，因此锁定放大器在弱就无能为力了，而且它还受模拟积分电路飘移的影响，因此锁定放大器在弱光测量受到一定的限制。光测量受到一定的限制。第4页，本讲稿共18页 光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零，有一定光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零，有一定光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零，有一定光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零，有一定能量的粒子。一个光子
4、的能量可用下式确定能量的粒子。一个光子的能量可用下式确定能量的粒子。一个光子的能量可用下式确定能量的粒子。一个光子的能量可用下式确定 式中式中=3.0108m/s=3.0108m/s是真空中的光速，是真空中的光速，h=6.610-34J.Sh=6.610-34J.S是普朗克常数。光流强度常用光功率表示，单位为是普朗克常数。光流强度常用光功率表示，单位为WW。单色光。单色光的光功率可用下式表示的光功率可用下式表示 式中式中R R为单位时间通过某一截面的光子数。即只要测为单位时间通过某一截面的光子数。即只要测得得R R，就可得到。，就可得到。2.1 光子的量子特性第5页，本讲稿共18页实验仪器：实
5、验仪器：第6页，本讲稿共18页光电倍增管光电倍增管(PMT)(PMT)雪崩光电二极管（雪崩光电二极管（APDAPD）增强型光电极管增强型光电极管 (IPD)(IPD)微通道板微通道板(MCP)(MCP)微球板微球板(MSP)(MSP)真空光电二极管真空光电二极管(VAPD)(VAPD)2.2 用于单光子计数的光电器件：SPCM第7页，本讲稿共18页2.3 光电倍增管光电倍增管(PMT)(PMT)的优点的优点1.1.测量结果受光电倍增管的漂移、系统增益的变化等不测量结果受光电倍增管的漂移、系统增益的变化等不 稳定因素的影响较小。稳定因素的影响较小。2.2.基本上消除了光电倍增管高压直流漏电流和各
6、倍增极基本上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，大大提高测量结果的信噪比。的热发射噪声的影响，大大提高测量结果的信噪比。3.3.有比较宽的线性动态范围。有比较宽的线性动态范围。4.4.可输出数字信号，适合与计算机接口作数字数据处理。可输出数字信号，适合与计算机接口作数字数据处理。所以采用了光子计数技术，可以把淹没在背景噪声的所以采用了光子计数技术，可以把淹没在背景噪声的 弱光信号提取出来。目前一般的光子计数器探测灵敏弱光信号提取出来。目前一般的光子计数器探测灵敏 度优于度优于10-17W10-17W。这是其它探测方法所不能比拟的。这是其它探测方法所不能比拟的。第8页，
7、本讲稿共18页2.4 光子计数器的组成光子计数器的组成图图3 3 单光子计数器的框图单光子计数器的框图第9页，本讲稿共18页2.5 光电倍增管图图1 1 光电倍增管的负高压供电及阳极电路光电倍增管的负高压供电及阳极电路第10页，本讲稿共18页脉脉冲冲计计数数率率V V（甄别电平）（甄别电平）单光电子峰单光电子峰光电倍增管噪声光电倍增管噪声脉冲幅度脉冲幅度V V图图2 2 光电倍增管输出脉冲幅度分布（微分）曲线光电倍增管输出脉冲幅度分布（微分）曲线测量弱光时光电倍增管的输出特性：测量弱光时光电倍增管的输出特性：第11页，本讲稿共18页图图4 4 甄别器工作示意图甄别器工作示意图甄别电压：甄别电压
8、：第12页，本讲稿共18页2.6 2.6 光子计数器的误差及信噪比光子计数器的误差及信噪比2.4.1 泊松统计噪声 2.4.2 暗计数2.4.3 累积信噪比 第13页，本讲稿共18页3.实验装置单色滤光片 衰减片 溴钨灯导轨制冷系统 单光子计数器第14页，本讲稿共18页4.实验内容及步骤内容及步骤 1.1.将冷却水管接在水龙头上并开始通水，打开光子计数将冷却水管接在水龙头上并开始通水，打开光子计数 器开关。两分钟后打开制冷器开关。器开关。两分钟后打开制冷器开关。2.2.约约2020分钟后，待分钟后，待PVPV显示值与显示值与SVSV显示相符合后，打开显示相符合后，打开 计算机开始采集数据。计算
9、机开始采集数据。3.3.开机后，在桌面上打开开机后，在桌面上打开“单光子计数单光子计数”文件，将模式文件，将模式 项为项为“阈值方式阈值方式”，改变参数。然后点，改变参数。然后点“开始开始”开始采开始采 集数据，得到一曲线，取阈值。集数据，得到一曲线，取阈值。4.4.将模式改为将模式改为“时间方式时间方式”，将阈值定为前面测出的值。，将阈值定为前面测出的值。采集数据，得到一振荡的曲线，将之保存，所得数据求采集数据，得到一振荡的曲线，将之保存，所得数据求 平均，即得到背景计数平均，即得到背景计数N Nd d。第15页，本讲稿共18页 7.根据根据 ,求得信噪比。求得信噪比。8.8.改变设定温度改
10、变设定温度SVSV，再重复实验，看信噪比与温度，再重复实验，看信噪比与温度 有何关系。有何关系。9.实验结束后，关闭单光子计数器及制冷器开关，关实验结束后，关闭单光子计数器及制冷器开关，关 闭计算机与光源电源。闭计算机与光源电源。2 2分钟后再关闭水源。分钟后再关闭水源。5.5.然后将光源的电源打开，转动光强调节纽，将光强然后将光源的电源打开，转动光强调节纽，将光强 设定为某一强度。开始采集数据，得到一振荡的曲设定为某一强度。开始采集数据，得到一振荡的曲 线，将之保存。将所需数据求平均，即得到总计数线，将之保存。将所需数据求平均，即得到总计数 N Nt t。6.改变光源强度，再重复改变光源强度
11、，再重复8 8，9 9步，看信噪比有何变化步，看信噪比有何变化第16页，本讲稿共18页1 1、在开制冷器前，一定先通冷却水。关闭制冷在开制冷器前，一定先通冷却水。关闭制冷 器后才能切断水源，否则将发生严重事故。器后才能切断水源，否则将发生严重事故。2 2、保存曲线时，若想将不能曲线比较，应将这些曲保存曲线时，若想将不能曲线比较，应将这些曲 线存在不同寄存器中，否则不能同时打开。线存在不同寄存器中，否则不能同时打开。3 3、测量时，不可打开光路的上盖。以避免杂散光的影测量时，不可打开光路的上盖。以避免杂散光的影 响。响。5.注意事项注意事项 第17页，本讲稿共18页山山 西西 大大 学学物 理 实 验 中 心王晓波 E-mail：第18页，本讲稿共18页