单光子计数讲义.doc

实验八 单光子计数 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光子计数技术就是检测弱光信号的一种新技术这一技术是通过分辨单个光子在检测器(通常是光电倍增管)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弱光信号是时间上比较分散的光子流，因而由检测器输出的将是自然离散化的电信号针对这一特点，采用脉冲放大，脉冲甄别和数字计数技术，可以大大提高弱光探测的灵敏度,一般可以优于1017W，这是其他探测方法所不能比拟的现代光子计数技术的优点是：(1) 有很高的信噪比基本上消除了光电倍增管的高压直流漏电流和各倍增极的热电子发射形成的暗电流所造成的影响可以区分强度有微小差别的信号，测量精度很高 (2) 抗漂移性很好在光子计数测量系统中，光电倍增管增益的变化，零点漂移和其他不稳定因素对计数影响不大，所以时间稳定性好(3) 有比较宽的线性动态范围，最大计数率可达106s1目前用于光子计数的探测器有常规的PMT，也有微多通道板PMT和雪崩光电二极管等新型器件。这些器件拓宽了光子计数应用的光波长范围。【实验目的】(1) 学习光子计数技术的基本实验方法；(2) 通过实验了解光子计数方法和弱光检测中的一些特殊问题【实验原理】1.光子流量和光流强度光是由光子组成的光子流，单个光子的能量与光波频率的关系是 (6-8-1)光子流量可用单位时间内通过的光子数表示，光流强度是单位时间内通过的光能量，用光功率表示单色光的光功率与光子流量的关系是： (6-8-2)如果光源发出的是波长为500nm的近单色光，可以计算出这种光子的能量为当光功率为时，这种近单色光的光子流量为当光流强度小于时通常称为弱光，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2.光电倍增管输出的信号波形在弱光检测中光电倍增管是最合适的探测器件如图6-8-1 (a)所示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电子，光阴极产生的光电子数与入射到阴极上的光子数之比称为量子效率大多数材料的量子效率都在30以下，也就是说每100个入射光子大约只能记录下30个在弱光下光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的计数 如图6-8-1 (a)所示，光阴极上发射出的光电子，经聚焦和加速打到第一倍增极上，将在第一倍增极上“打出”几倍于入射电子数目的二次电子这些二次电子被加速后打到第二倍增极上，接连经过几个或十几个倍增极的增殖作用后，电子数目最高可增加到108最后由阳极收集所有的电子，在阳极回路中形成一个电脉冲信号如图6-8-1 (b)所示，脉冲宽度tw与光电倍增管的时间特性以及阳极回路的时间常数RLC有关（C为阳极回路的分布电容与放大器的输入电容之和）性能良好的光电倍增管配合以尽可能小的RLC，可使脉冲宽度只有1030ns. 图6-8-1在非弱光测量中，由于光子流量较大，测得的光电倍增管输出信号为连续信号，见图6-8-2(a)而在测量弱光时，光子流量很小，相邻两光子间的时间间隔可达毫秒量级，阳极回路中输出的是一个个离散的尖脉冲(tw10ns)，见图6-8-2(b)(a) 在强光信号下 (b) 在弱光信号下 图6-8-2图6-8-3是由示波器观察到的放大后的光电倍增管输出信号波形图中横坐标为时间当光强降到10-16W左右时，尽管光信号可以是由一连续发光的光源发出的，而光电倍增管输出的电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(a)光流强度约10-13瓦,光电子信号是在直流电平上叠加闪烁噪声(b)光流强度约10-17.瓦,直流电平减小,脉冲重叠减少但仍存在基线起伏(c) 光流强度约10-16.瓦,基线开始稳定,重叠脉冲极少(d) 光流强度约10-17.瓦,脉冲无重叠,基线趋于平直 图6-8-3 各种不同光强信号下光电倍增管的输出波形3.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仪器，例如多道分析器作脉冲高度分布分析(PHA)，可以得到如图6-8-4所示的分布光阴极发射的电子(包括光电子和热发射电子)所形成的各脉冲的幅度近于一致，造成图中的“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，图6-8-4中脉冲幅度较小的部分主要是热噪声脉冲 图6-8-4 (3) 各倍增极的倍增系数不是一定值，有一统计分布，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图6-8-4中谷点的脉冲加以甄别、输出并计数显示，就可实现高信噪比的单光子计数，大大提高检测灵敏度4.光子计数器的组成光子计数器的原理方框图如图6-8-5所示，各部分功能和主要要求如下:(1) 光电倍增管从以上分析可知，能够进行光子计数的一个重要条件是要有性能良好的光电倍增管更具体地说，用于光子计数的光电倍增管必须具有适合于实验中工作波段的光谱响应，要有适当的阴极面积，量子效率高，暗计数率低，时间响应快，并且光阴极稳定性高为了获得较高的稳定性，除尽量采用光阴极面积小的管子外，还采用致冷技术来降低管子的环境温度，以减少各倍增极的热电子发射 图6-8-5 光子计数器方框图(2) 放大器放大器的作用是将光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲(连同其他噪声脉冲)线性地放大放大器的增益可根据单光电子脉冲的高度和甄别器甄别电平的范围来选定另外还要求放大器具有较宽的线性动态范围，上升时间3ns(即通频带宽过100MHz)，噪声系数小等等光电倍增管与放大器的连线应尽量短以减少分布电容，有利于光电脉冲的形成与传输(3) 脉冲高度甄别器脉冲高度甄别器有连续可调的阈电平，称甄别电平只有当输入脉冲的幅度大于甄别电平时，甄别器才输出一个有一定幅度和形状的标准脉冲在用于光子计数时，可以将甄别电平调节到图6-8-5中单光电子峰的下限处这时各倍增极所引起的热噪声脉冲因小于甄别电平而不能通过经甄别器后只有光阴极形成的光电子脉冲和热电子脉冲的输出对甄别器的要求是甄别电平稳定，灵敏度高，死时间小当有一脉冲触发了甄别器中的线路以后，在它恢复原状以前甄别器不能接受后续脉冲，这段时间称为死时间，用于光子计数的甄别器的死时间要求小于lOns(4) 计数器计数器(或称定标器)的作用是将甄别器输出的脉冲累计起来并予以显示用于光子计数的计数器要满足高计数率的要求，即要能够分辨时间间隔为10ns的二脉冲，相应的计数率为1OOMHz不过当光子计数器用于微弱光的量测时，它的计数率一般很低因此采用计数率低于1OMHz的计数器亦可这部分还必须有控制计数时间的功能5.光子计数器的噪声和信噪比光子计数器的噪声来源主要为光子发射的统计涨落，光阴极和倍增极的热电子发射和脉冲堆积效应等(1) 统计涨落噪声就热光源来说，在发光时各原子是相互独立的，相继的两个光子打到光阴极上的时间间隔是随机的按照统计规律在一定的时间间隔内发出的光子数服从泊松分布。即在探测到一个光子后的时间间隔内，现探测到个光子的几率为，（6-8-3）式中是光电倍增管的量子效率，是单位时间内的光子流量。，是在时间间隔内光电倍增管的光阴极发射的光电子平均数。由于这种统计特性，测量到的信号计数将有一定的不确定度，通常以均方根偏差来表示：。经计算，。这种不确定性称为统计噪声。统计噪声使得测量信号中固有的信噪比SNR为，（6-8-4）上式表明，固有统计噪声的信噪比正比于测量时间间隔的平方根。(2) 暗计数噪声由于光电倍增管的光阴极和各倍增极有热电子发射，即使入射光强为零时，还有暗计数，也称本底计数通常采用降低管子的工作温度，选用小面积光阴极和选择合适的甄别电平等措施使暗计数率降到最小但对于极微弱的光信号，暗计数仍是一个不可忽视的噪声来源如果光电倍增管（PMT）的第一倍增极具有很高的增益，各倍增极及放大器的噪声已被甄别器去除，则上述暗计数使信号中的噪声成分增加至。信噪比因此而降为 （6-8-5）如果背景计数在光信号累记计数中保持不变，则可很容易地从实际计数中扣除。(3)累积信噪比在两个相同的时间间隔t内，分别测量暗计数和总计数，则信号计数为，（6-8-6）而，按照误差理论，测量结果的信号计数中的总噪声应为， （6-8-7）使测量结果的信噪比，（6-8-8）若信号计数远小于暗计数，可能使，测量结果毫无意义。故称时对应的接收信号功率。为光子计数器的探测灵敏度。由上分析可知，光子计数器测量结果的信噪比与测量时间间隔的平方根成正比。因此在弱光测量中，为了达到一定的信噪比，可增加测量时间。(3) 脉冲堆积效应噪声分析光子计数器的噪声和计数误差时，除上述几个重要因素外，还应考虑脉冲堆积效应这是计数率较高时的主要误差来源 光电倍增管输出的脉冲有一定的宽度，只有在从一个光电子脉冲产生时算起,经过比更长的时间间隔之后，光电倍增管阳极回路才能接着输出另一个光电子脉冲，又称为光电倍增管的分辨时间当后续光电子脉冲与前一个脉冲的时间间隔小于时，阳极回路只输出一个脉冲，这现象称为脉冲堆积效应如果接连有很多脉冲来临前的时间间隔都小于，这些脉冲都不能分辨可见，光电倍增管也具有死时间在这意义下光电倍增管被称为“可瘫痪”的探测器，就是说它的计数率有上限，超过此上限就出现计数率的损失脉冲堆积效应造成的输出脉冲计数率误差可以如下估算。设单位时间内入射光子数为，在PMT光阴极上发射的光子数将为。根据式（6-8-3）在分辨时间 内，光阴极零发射（）时的几率（6-8-9）而在时间内入射光子的几率为，则由于脉冲堆积效应使单位时间输出的光电子脉冲数为 （6-8-10）光电倍增管因分辨时间造成的计数误差可表达为，（6-8-11）可见，随入射光子流量增大而增大，至时，达最大值。以后随的增加而下降，一直到零。当入射光强增至一定数值，光电倍增管的输出已不再呈离散状态，只能用直流的方法来检测光信号。对于甄别器，其死时间是一常数（不随入射光子流的增加而增加）。在测量时间内，输入甄别器的总脉冲数为，从甄别器输出的脉冲数为则在时间内甄别器不以接受脉冲的总“死”时间为。总的“活”时间为。因而 （6-8-12）由于甄别器的死时间造成的脉冲堆积，使输出脉冲计数率下降为（6-8-13）当时，趋向饱和，即不再随的增加而明显地变化。由于甄别器的死时间而造成的相对误差 （6-8-14）当计数率较低（弱光测量），有和。这时，。如果又使用快带光电倍增管时，脉冲堆积效应引起的误差主要取决于甄别器，因此。一般认为，计数差小于1%的工作状态称为单光子计数状态。处在这种状态下的系统就称为单光子计数系统。 本实验系统采用的是10MHz的定标器，死时间为，所以只有在时计数误差才不超过1%。至于影响测量结果的其他因素，如光源的不稳定性、杂散光及其他噪声源，在实验中应采取措施尽量避免其影响。【实验装置】单光子计数实验系统由单光子计数器、制冷系统、外光路、计算机控制软件等组成。采用脉冲高度甄别技术和数字计数技术，具有较高的线性动态范围。输出的数字信号，便于计算机处理。图6-8-6为仪器外形图，图6-8-7为光子计数系统实验装置示意图图6-8-61-USB接口； 2-监测2； 3-监测1； 4-调零钮；5-功率计电源开关；6-量程变换；7-功率指示； 8-电流调节； 9-光源开关；10-电流指示图6-8-7 1-光源； 2-暗盒； 3-入射光阑； 4-光阑筒； 5-光电倍增管； 6-放大器与甄别器；7-计数器；8-高压电源；9-记录仪；10-半导体致冷电源； 11-半导体冷却管罩实验光源为高亮度发光二极管，波长中心500nm，半宽度30nm。为提高入射光的单色性，仪器装有窄带滤光片，其半宽度为18nm。实验采用CR125光电倍增管，并用半导体制冷器来降低光电倍增管的工作温度，最低温度可达-20。为了减少杂散射光的影响和降低背景计数，在光电倍增管前设置了一个光阑筒，内设光阑三片。另外可根据需要放置减光片、窄带滤光片等。【实验内容】1. 确定弱光测量所需要的最佳甄别电平。选择入射光功率；固定PMT的工作电压，不加制冷电流，但通冷却水，以减少环境温度变化的影响。（1）在数据采集系统的阈值方式模式下，测量PMT输出脉冲幅度分布的积分曲线，通过数据采集系统的数据/图形处理功能，进行微分运算，得到PMT输出脉冲幅度分布的微分曲线，初步选取实验中需要的甄别电平取值范围，然后，在数据采集系统的时间方式模式下，选择适当的测量次数（数据采集系统的数值范围中的终止点 起止点=测量次数），改变甄别电平，通过测量暗计数率和光计数率，对测量次数平均后，计算信噪比，确定最佳甄别电平。信噪比按下式计算： 其中为积分时间内测得的总计数，为积分时间内测得的背景计数。（2）用示波器观察PMT阳极输出脉冲和甄别器输出脉冲的波形特征，并记录两种信号的波形和高度分布。2研究信噪比与接收光功率和测量时间t的关系在室温条件下，固定PMT的工作电