第八章 光電檢測(cè)

1、第八章第八章 光電檢測(cè)技術(shù)的典型應(yīng)用光電檢測(cè)技術(shù)的典型應(yīng)用 鎖相放大器鎖相放大器 取樣積分器取樣積分器 光子計(jì)數(shù)器光子計(jì)數(shù)器8.1 微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)8.2光電開(kāi)關(guān)和光電轉(zhuǎn)速計(jì) 8-1 8-1 引言引言在自然現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)研究和工程實(shí)踐中在自然現(xiàn)象和規(guī)律的科學(xué)研究和工程實(shí)踐中, , 經(jīng)常會(huì)遇到需要檢測(cè)經(jīng)常會(huì)遇到需要檢測(cè)微弱信號(hào)微弱信號(hào)的問(wèn)題的問(wèn)題, , 比如比如: : 測(cè)定地震的波形和波速；測(cè)定地震的波形和波速； 材料分析時(shí)測(cè)量熒光光強(qiáng)；材料分析時(shí)測(cè)量熒光光強(qiáng)； 衛(wèi)星信號(hào)的接收；衛(wèi)星信號(hào)的接收； 紅外探測(cè)；紅外探測(cè)； 生物電信號(hào)測(cè)量生物電信號(hào)測(cè)量 信號(hào)的微弱是相對(duì)的信號(hào)的微弱是相對(duì)的 一個(gè)人有

2、一個(gè)人有1米米7高高喜歡到小朋友中間，鶴喜歡到小朋友中間，鶴立雞群，容易被看到立雞群，容易被看到來(lái)到來(lái)到NBA球隊(duì)，太渺小，球隊(duì)，太渺小，被被淹沒(méi)淹沒(méi)了了微弱信號(hào)檢測(cè)是一門(mén)新興的技術(shù)學(xué)科，它利用電子學(xué)、信息論和物理學(xué)的方法，分析噪聲產(chǎn)生的原因和規(guī)律，研究被測(cè)信號(hào)的特點(diǎn)和相關(guān)性，檢測(cè)被噪聲淹沒(méi)的微弱信號(hào)。弱信號(hào)的含義：絕對(duì)意義：信號(hào)本身非常弱，幅度值極小-放大。相對(duì)意義：相對(duì)于噪聲而言，信號(hào)極其微弱，被噪聲淹沒(méi)，也就是說(shuō)信噪比極低提高信噪比；單純的幅度小而信噪比不是很低的信號(hào)稱之為小信號(hào)。弱信號(hào)檢測(cè)的任務(wù)：在有效抑制信噪比的條件下放大弱信號(hào)的幅度，其中抑制噪聲，提高信噪比極為關(guān)鍵。噪聲與干擾的定

3、義 噪聲：通常把由于材料或器件（內(nèi)部電路器件）的物理原因產(chǎn)生的擾動(dòng)稱為噪聲，頻譜分布一般比較寬；干擾：把來(lái)自外部（人為或者自然）的擾動(dòng)稱為干擾，往往有一定的規(guī)律性和途徑，可以減少或消除。 廣義噪聲：就是擾亂或者干擾有用信號(hào)的某種不期望有的擾動(dòng)。噪聲雖然無(wú)用，雖然討厭，但是它時(shí)刻不在，既然躲不過(guò)，那么回避不如勇敢面對(duì)微弱檢測(cè)信號(hào)的原理壓縮檢測(cè)通道帶寬：噪聲在時(shí)間和幅度變化上都是隨機(jī)發(fā)生的，分布在很寬的頻譜范圍。信號(hào)所占的頻帶比較集中，信號(hào)的頻譜分布和噪聲的頻譜分布大部分不重疊，不同步。噪聲是隨機(jī)白噪聲時(shí)，檢測(cè)通道輸出的噪聲正比于頻帶寬的平方根，只要壓縮的帶寬不影響信號(hào)輸出就能大幅度降低噪聲。取樣

4、平均處理：信號(hào)的增加取決于取樣總數(shù)，隨機(jī)噪聲的增加卻僅由取樣數(shù)的平方根決定?？梢愿纳菩旁氡取３Ｓ玫奈⑷豕庑盘?hào)檢測(cè)方式：鎖相放大器、取樣積分器、光子計(jì)數(shù)器。測(cè)量技術(shù)的分類測(cè)量技術(shù)的分類非相關(guān)測(cè)量非相關(guān)測(cè)量普通的電壓表，示波器，頻率計(jì)等優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：使用方便，用途廣泛相關(guān)測(cè)量相關(guān)測(cè)量鎖相放大器，取樣積分器，光子計(jì)數(shù)器,數(shù)字濾波器等優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：抗干擾能力強(qiáng)，工作穩(wěn)定，靈敏度高鎖相放大器概述鎖相放大器概述p 鎖相放大器解決如何在很強(qiáng)的外部干擾環(huán)境中檢測(cè)弱信號(hào)。p 具有十分窄小信號(hào)和噪聲帶寬，信噪比可低達(dá)1010-5。 p 在弱信號(hào)探測(cè)儀器中鎖相放大器是一個(gè)非常重要的品種。p 鎖相放大器屬于利用互相關(guān)原理設(shè)計(jì)

5、的一種同步相干檢測(cè)儀，是對(duì)被測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)進(jìn)行相關(guān)運(yùn)算的電子設(shè)備。利用參考信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的互相關(guān)特性，提取出與參考信號(hào)同頻率和同相位的被測(cè)信號(hào)。8-2 8-2 鎖相放大器鎖相放大器n 用調(diào)制器將直流或漸變信號(hào)調(diào)制，進(jìn)行交流放大，可以避免噪聲的不利影響；n 利用相敏檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)，同時(shí)檢測(cè)頻率和相位，噪聲與信號(hào)同頻又同相的概率很??；n 利用低通濾波器來(lái)抑制噪聲，低通濾波器的頻帶可以做的較窄，而且其頻帶寬度不受調(diào)制頻率的影響，穩(wěn)定性也大大地提高。鎖相放大器有三個(gè)特點(diǎn)鎖相放大器的工作原理鎖相放大器的工作原理p 1962年第一臺(tái)儀器問(wèn)世。據(jù)統(tǒng)計(jì)，已在幾年第一臺(tái)儀器問(wèn)世。據(jù)統(tǒng)計(jì)，已在幾百種

6、場(chǎng)合中得到應(yīng)用。在弱信號(hào)探測(cè)儀器百種場(chǎng)合中得到應(yīng)用。在弱信號(hào)探測(cè)儀器中鎖相放大器是一個(gè)非常重要的品種。中鎖相放大器是一個(gè)非常重要的品種。p 信噪比可低達(dá)信噪比可低達(dá)10-5。BW=0.0004Hz（相當(dāng)（相當(dāng)于于Q值值=108）。）。典型鎖相放大器原理鎖相放大器的組成方框圖鎖相放大器的組成方框圖p 主要包括三個(gè)部分：信號(hào)通道，參考通道和相敏檢波p 信號(hào)通道對(duì)混有噪聲的初始信號(hào)進(jìn)行選頻放大，對(duì)噪聲作初步的窄帶濾波p 參考通道通過(guò)鎖相和移相提供一個(gè)與被測(cè)信號(hào)同頻，同相的參考電壓。p 相敏檢波由混頻乘法器和低通濾波器組成。典型鎖相放大器原理 設(shè)乘法器的輸入信號(hào)為Vs和Vr：0cosssmVVt0co

7、srrmVVt則輸出信號(hào)為：001cos2cos2srsmrmVVVV Vtt通過(guò)輸入信號(hào)和參考信號(hào)的相關(guān)運(yùn)算，輸出信號(hào)的頻譜由0變換到差頻與和頻20的頻段上。和頻信號(hào)分量被低通濾波器濾除，可以利用低通濾波器得到窄帶的差頻信號(hào)。01cos2smrmVV Vt上式表明在輸出信號(hào)中只是那些與參考信號(hào)電壓同頻率的分量才使差頻信號(hào)為零，此時(shí)輸出信號(hào)為直流信號(hào)，它的幅值取決于輸入信號(hào)幅值并與參考信號(hào)和輸入信號(hào)相位差有關(guān)，即：01cos2smrmVV V當(dāng)0時(shí)， ，/2時(shí)， V0 0012smrmVV Vp 也就是說(shuō)，在輸入信號(hào)中，只有被測(cè)信號(hào)本身和參考信號(hào)有同頻鎖相關(guān)系而得到最大直流輸出，其他噪聲信號(hào)或

8、者由于頻率不同，造成0的交流分量，被后接的低通濾波器濾除，或者由于相位不同而被相敏檢波器截止。p 那些與參考分量同頻同相的噪聲分量也能夠輸出直流分量，但它們只占白噪聲的極小部分。p 所以鎖相放大器能以極高的信噪比由噪聲中提取出有用信號(hào)鎖相放大技術(shù)的四個(gè)基本環(huán)節(jié)： 通過(guò)調(diào)制或斬光，將被測(cè)信號(hào)由零頻范圍轉(zhuǎn)移到設(shè)定的高頻范圍內(nèi)。檢測(cè)系統(tǒng)變成交流系統(tǒng)； 在調(diào)制頻率上對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行選頻放大； 在相敏檢波中對(duì)信號(hào)解調(diào)。同步解調(diào)作用截?cái)嗔朔峭皆肼曅盘?hào)，使輸出信號(hào)的帶寬限制在極窄的范圍內(nèi)； 通過(guò)低通濾波器對(duì)檢波信號(hào)進(jìn)行低通濾波。3、特點(diǎn)：p 要求對(duì)入射光束進(jìn)行斬光或光源調(diào)制，適用于調(diào)幅光信號(hào)的檢測(cè)；p 極窄

9、帶高增益放大器，增益可達(dá)1011，帶寬窄到0.0004Hz；p 交流直流信號(hào)變換器；p 可以補(bǔ)償光檢測(cè)中的背景輻射噪聲前置放大器的固有噪聲。信噪比改善可達(dá)1000倍。19208-3 8-3 取樣積分器取樣積分器1. 鎖相放大器的局限性（1）只能用正弦波、方波，對(duì)于寬帶任意波形的信號(hào)無(wú)能為力。（2）鎖相放大器實(shí)質(zhì)是濾波器，靠降低等效噪聲帶寬來(lái)抑噪。但在強(qiáng)干擾噪聲背景下，寬帶信號(hào)的檢測(cè)用壓縮帶寬的辦法效果不明顯。一一.概述概述2. 解決途徑 取樣積分器（Boxcar積分器）將待測(cè)的周期信號(hào)逐點(diǎn)多次取樣并進(jìn)行同步積累。將時(shí)間變化的模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)時(shí)間變化的離散量的集合，這種集合即為信號(hào)的低頻復(fù)制。利用

10、它可以解決在強(qiáng)噪聲背景下任意形狀的寬帶周期信號(hào)的檢測(cè)和波形再現(xiàn)問(wèn)題。p 首先，微弱周期信號(hào)的周期是已知的，p 這種信號(hào)一般是在主動(dòng)測(cè)量中，源發(fā)出的周期性信號(hào)與被測(cè)物體作用后產(chǎn)生的，p 被檢測(cè)的微弱信號(hào)的周期和源發(fā)出的周期性信號(hào)的周期存在一定的關(guān)系，或者相等，或者存在某種函數(shù)關(guān)系。 取樣積分法工作的前提:p 如果我們能夠很準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)周期信號(hào)的某一如果我們能夠很準(zhǔn)確地對(duì)準(zhǔn)周期信號(hào)的某一點(diǎn)（如圖），在每個(gè)周期的這一時(shí)刻，都對(duì)信點(diǎn)（如圖），在每個(gè)周期的這一時(shí)刻，都對(duì)信號(hào)進(jìn)行取樣，并把取樣值保存在積分器中；號(hào)進(jìn)行取樣，并把取樣值保存在積分器中；p 經(jīng)過(guò)次取樣后，信號(hào)得到了增強(qiáng)，而噪聲經(jīng)過(guò)次取樣后，信號(hào)得

11、到了增強(qiáng)，而噪聲由于隨機(jī)性，相互抵消了一部分所以信號(hào)在噪由于隨機(jī)性，相互抵消了一部分所以信號(hào)在噪聲中顯現(xiàn)出來(lái)。聲中顯現(xiàn)出來(lái)。p 如果對(duì)周期信號(hào)的每一點(diǎn)都這樣處理，那就如果對(duì)周期信號(hào)的每一點(diǎn)都這樣處理，那就有可能將被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)恢復(fù)波形。有可能將被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)恢復(fù)波形。 1、取樣積分器的工作原理、取樣積分器的工作原理 取樣點(diǎn)的值，應(yīng)是信號(hào)和噪聲的和，我們以信號(hào)和噪聲功取樣點(diǎn)的值，應(yīng)是信號(hào)和噪聲的和，我們以信號(hào)和噪聲功率平均值來(lái)看積分前后信噪比的變化。若輸入信號(hào)為率平均值來(lái)看積分前后信噪比的變化。若輸入信號(hào)為Vsi，經(jīng)，經(jīng)過(guò)積分器過(guò)積分器M次積累后所得到的輸出電壓為次積累后所得到的輸出電壓為1

12、mssisiiVVmV輸出信號(hào)品均功率為：輸出信號(hào)品均功率為：2ssiPV二二. 取樣積分器的工作原理和分類取樣積分器的工作原理和分類 噪聲電壓是隨機(jī)量噪聲電壓是隨機(jī)量Vni ，經(jīng)過(guò)，經(jīng)過(guò)m次積累以后，相加所得值次積累以后，相加所得值Vn仍為隨機(jī)變量仍為隨機(jī)變量111mnnisiiVVVmm 當(dāng)噪聲的分布是正態(tài)分布時(shí)，數(shù)學(xué)期望值為當(dāng)噪聲的分布是正態(tài)分布時(shí)，數(shù)學(xué)期望值為0，方差等于噪聲，方差等于噪聲平均功率平均功率Pni ，所以輸出電壓，所以輸出電壓Vn也是正態(tài)分布的隨機(jī)變量，其也是正態(tài)分布的隨機(jī)變量，其數(shù)學(xué)期望：數(shù)學(xué)期望：2211()()()mninnnnniiPPD VE VE VD Vmm

13、11()()0mnniiE VE Vm功率信噪比：功率信噪比：22/ssisinmniPVVmPPmPssinniVVmVV通過(guò)累積以后功率信噪比為：通過(guò)累積以后功率信噪比為：信號(hào)噪聲幅值比（信號(hào)噪聲幅值比（ (SNIR) ）為：）為：結(jié)論：結(jié)論：1）、經(jīng)過(guò)）、經(jīng)過(guò)m次積累以后，功率信噪比可以提高次積累以后，功率信噪比可以提高m倍，信號(hào)倍，信號(hào)噪聲幅值比提高了噪聲幅值比提高了 倍。倍。m2）、取樣點(diǎn)數(shù)越多，測(cè)量次數(shù)越多，信噪比改善越明顯，信）、取樣點(diǎn)數(shù)越多，測(cè)量次數(shù)越多，信噪比改善越明顯，信號(hào)恢復(fù)越精確，但需要品均積累的時(shí)間也越長(zhǎng)。號(hào)恢復(fù)越精確，但需要品均積累的時(shí)間也越長(zhǎng)。3）、微弱信號(hào)檢測(cè)的

14、靈敏度是以）、微弱信號(hào)檢測(cè)的靈敏度是以犧牲時(shí)間犧牲時(shí)間為代價(jià)的。為代價(jià)的。Boxcar工作原理工作原理上面講的這種取樣積分法，只能恢復(fù)周期性信號(hào)某一點(diǎn)的上面講的這種取樣積分法，只能恢復(fù)周期性信號(hào)某一點(diǎn)的幅值，故稱為定點(diǎn)取樣工作模式。幅值，故稱為定點(diǎn)取樣工作模式。周期信號(hào)波形的恢復(fù)必須在定點(diǎn)取樣積分器的基礎(chǔ)上，對(duì)周期信號(hào)波形的恢復(fù)必須在定點(diǎn)取樣積分器的基礎(chǔ)上，對(duì)周期信號(hào)的一周期內(nèi)的各點(diǎn)進(jìn)行掃描，把周期信號(hào)每一點(diǎn)的周期信號(hào)的一周期內(nèi)的各點(diǎn)進(jìn)行掃描，把周期信號(hào)每一點(diǎn)的幅值都恢復(fù)出來(lái)，這就必須采取掃描工作方式。幅值都恢復(fù)出來(lái)，這就必須采取掃描工作方式。取樣積分器分類：取樣積分器分類：掃描取樣積分器掃描

15、取樣積分器3. 多點(diǎn)信號(hào)平均器多點(diǎn)信號(hào)平均器 前面已經(jīng)說(shuō)明，掃描取樣積分器在信號(hào)重復(fù)出現(xiàn)的一個(gè)周期內(nèi)只對(duì)信號(hào)取樣一次。因此要取出信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)的完整波形需要nT的時(shí)間。因此，取樣積分器在時(shí)間上的利用率是很低的。 為了縮短恢復(fù)波形所需要的時(shí)間，可以使用多個(gè)取樣積分器，在每個(gè)信號(hào)重復(fù)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)逐次多點(diǎn)取樣。在有效的觀察時(shí)間內(nèi)，信號(hào)每重復(fù)一次，各取樣積分器上存儲(chǔ)的信號(hào)電壓就進(jìn)行一次累加，多次累加的結(jié)果，使信噪比得到改善; 多點(diǎn)信號(hào)平均器就是這樣一種實(shí)時(shí)取樣系統(tǒng)，它等效于大量單點(diǎn)取樣積分器在不同延時(shí)的情況下并聯(lián)使用。 多點(diǎn)信號(hào)平均器對(duì)于恢復(fù)被噪聲淹沒(méi)的重復(fù)信號(hào)多點(diǎn)信號(hào)平均器對(duì)于恢復(fù)被噪聲淹沒(méi)的重復(fù)信

16、號(hào)是一個(gè)強(qiáng)有力的工具，由于是一個(gè)強(qiáng)有力的工具，由于Boxcar是單點(diǎn)步進(jìn)多是單點(diǎn)步進(jìn)多次取樣平均，因此需要測(cè)量時(shí)間很長(zhǎng)。次取樣平均，因此需要測(cè)量時(shí)間很長(zhǎng)。 而多點(diǎn)信號(hào)平均器則是在信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)對(duì)信而多點(diǎn)信號(hào)平均器則是在信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)多點(diǎn)取樣，號(hào)多點(diǎn)取樣，在獲得同樣在獲得同樣SNIR的情況下多點(diǎn)信號(hào)的情況下多點(diǎn)信號(hào)平均器所需時(shí)間只是單點(diǎn)平均器測(cè)一點(diǎn)的平均時(shí)平均器所需時(shí)間只是單點(diǎn)平均器測(cè)一點(diǎn)的平均時(shí)間。間。所以可節(jié)省測(cè)量時(shí)間。所以可節(jié)省測(cè)量時(shí)間。 多點(diǎn)信號(hào)平均器是多點(diǎn)信號(hào)平均器是實(shí)時(shí)取樣實(shí)時(shí)取樣，不會(huì)使被恢復(fù)的弱，不會(huì)使被恢復(fù)的弱信號(hào)變形（拉長(zhǎng)），這是信號(hào)變形（拉長(zhǎng)），這是Boxcar所

17、不能比擬的。所不能比擬的。 多點(diǎn)信號(hào)平均器有模擬式和數(shù)字式兩種多點(diǎn)信號(hào)平均器有模擬式和數(shù)字式兩種: 模擬式多點(diǎn)平均器的存貯器是電容，模擬式多點(diǎn)平均器的存貯器是電容， 數(shù)字式多點(diǎn)平均器的存貯器是半導(dǎo)體存貯器，模擬數(shù)字式多點(diǎn)平均器的存貯器是半導(dǎo)體存貯器，模擬式多點(diǎn)信號(hào)平均器原理框圖如圖所示：式多點(diǎn)信號(hào)平均器原理框圖如圖所示：EG&G Princeton Applied Research Model 162 Boxcar AveragerEG&G Princeton Applied Research Model 4100 Boxcar AveragerSRS Boxcar8-4 8-

18、4 光子計(jì)數(shù)光子計(jì)數(shù)一、單光子計(jì)數(shù)技術(shù)概述一、單光子計(jì)數(shù)技術(shù)概述p 光子計(jì)數(shù)器是利用光電倍增管能檢測(cè)單個(gè)光子能量的功能，通過(guò)光電子計(jì)數(shù)的方法測(cè)量極微弱光脈沖信號(hào)的裝置。p 當(dāng)可見(jiàn)光的輻射功率低于-12，即光子速率限制在10/s以下時(shí)，光電倍增管光電陰極發(fā)射出的光電子就不再是連續(xù)的。因此，在倍增管的輸出端會(huì)產(chǎn)生有光電子形式的離散的信號(hào)脈沖。p 可借助電子計(jì)數(shù)的方法檢測(cè)到入射光子數(shù)，實(shí)現(xiàn)極弱光強(qiáng)或通量的測(cè)量。單光子探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域： 高分辨率的光譜測(cè)量、 非破壞性物質(zhì)分析、 高速現(xiàn)象檢測(cè)、 精密分析、大氣測(cè)污、 生物發(fā)光、放射探測(cè)、 高能物理、天文測(cè)光、光時(shí)域反射、 量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)等。由于單光

19、子探測(cè)器在高技術(shù)領(lǐng)域的重要地位，已經(jīng)成為各國(guó)光電子學(xué)界重點(diǎn)研究的課題之一 單光子探測(cè)技術(shù)和模擬檢測(cè)技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)： 測(cè)量結(jié)果受光電探測(cè)器的漂移、系統(tǒng)增益變化以 及其它不穩(wěn)定因素的影響較??； 消除了探測(cè)器的大部分熱噪聲的影響，大大提高 了測(cè)量結(jié)果的信噪比； 有比較寬的線性動(dòng)態(tài)區(qū)； 輸出數(shù)字信號(hào)，適合與計(jì)算機(jī)接口連接進(jìn)行數(shù)字 數(shù)據(jù)處理。 單光子計(jì)數(shù)器的組成單光子計(jì)數(shù)器的組成 單光子計(jì)數(shù)器由光電倍增管（單光子計(jì)數(shù)器由光電倍增管（PMT），前置放大器，），前置放大器，幅度鑒別器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。幅度鑒別器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。 高壓電源是使高壓電源是使PMT正常工作；正常工作； PMT必須配備制冷器以減少陰極

20、的熱電子發(fā)射。必須配備制冷器以減少陰極的熱電子發(fā)射。 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理PMT陰極接受光輻射，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過(guò)打拿極放大，輸出至陽(yáng)極。陽(yáng)極產(chǎn)生電流脈沖并經(jīng)過(guò)陽(yáng)極負(fù)載輸出，經(jīng)過(guò)放大器信號(hào)放大后送到鑒別器，鑒別器通過(guò)設(shè)置第一鑒別電平和第二鑒別電平來(lái)減少暗電流和干擾，計(jì)數(shù)器計(jì)得信號(hào)脈沖的個(gè)數(shù)并顯示出來(lái)。 目前人們對(duì)單光子探測(cè)器將主要從兩個(gè)方面去研究， 一方面，研制和開(kāi)發(fā)有高靈敏度新型結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器， 另一方面，研究和改進(jìn)探測(cè)器的外圍控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用現(xiàn)有的探測(cè)器進(jìn)行單光子探測(cè)。 光子成像技術(shù)光子成像技術(shù) 下面以光電倍增管為例，介紹光子計(jì)數(shù)器下面以光電倍增管為例，介紹光子計(jì)數(shù)器的原理與方法

21、。的原理與方法。二、二、光子計(jì)數(shù)器中的光電倍增管光子計(jì)數(shù)器中的光電倍增管 光電倍增管是光子計(jì)數(shù)器的核心部件，它將接收到的光子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)，光電倍增管正常工作，必須配備高壓電源。為了降低噪聲，還配備致冷器并不是所有的光電倍增管都適于制作光子計(jì)數(shù)器。 對(duì)用于光子計(jì)數(shù)器的光電倍增管有一些特殊的要求。 1 光電倍增管的工作原理光電倍增管的工作原理 光電倍增管是利用外光電效應(yīng)把入射光子轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦盘?hào)的探測(cè)器。 光電倍增管的結(jié)構(gòu)示意圖:D1 D3 D5 D7 D 9 D2 D4 D6 D8 D10 K是光電陰極，是光電陰極，D是聚焦極，是聚焦極，D1D10為倍增極（打拿極），為倍增極（打拿極），A為陽(yáng)

22、極為陽(yáng)極 光電倍增管原理：外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)光電倍增管原理：外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)K A 2 倍增極結(jié)構(gòu)與渡越時(shí)間倍增極結(jié)構(gòu)與渡越時(shí)間 渡越時(shí)間渡越時(shí)間: 從光電陰極K接受一個(gè)光子開(kāi)始，到陽(yáng)極收集到D10發(fā)射的二次電子為止所需的時(shí)間為。 渡越時(shí)間離散性：渡越時(shí)間離散性： 只是一個(gè)平均值。從D1發(fā)射二次電子，到D10發(fā)射二次電子，各極二次電子飛越的軌道不可能完全一致，渡越時(shí)間也就不可能完全相等，因此，陽(yáng)極從收集到第一個(gè)電子和最后一個(gè)電子的時(shí)間是不同的，這個(gè)時(shí)間差，就稱為渡越時(shí)間離散，記為。 渡越時(shí)間離散和渡越時(shí)間都和光電倍增管的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 要求：渡越時(shí)間短，渡越時(shí)間離散小。要求：

23、渡越時(shí)間短，渡越時(shí)間離散小。 直列聚焦式光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖所示。它的倍增極的形狀具有特定的弧形，它的這種弧形結(jié)構(gòu)可形成一個(gè)聚焦電場(chǎng)，使前級(jí)的二次發(fā)射電子能準(zhǔn)確地射到本倍增極的中央。 另外，還采取了一些附加措施，用以抑制空間電荷效應(yīng)，因此這種結(jié)構(gòu)的光電倍增管其渡越時(shí)間離散很小，渡越時(shí)間也較小。 若將其光陰極也制成曲面形狀，則這種管子最為適宜作光子計(jì)數(shù)器使用。 聚焦電極聚焦電極KA 光子計(jì)數(shù)器是測(cè)量弱光的儀器，如果被檢測(cè)光束光子速率過(guò)大，則光電倍增管不能分辨，無(wú)法計(jì)數(shù)。 因此光子計(jì)數(shù)器只能對(duì)一定光子速率以下的光子束進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量。三、光子計(jì)數(shù)器測(cè)量弱光的極限三、光子計(jì)數(shù)器測(cè)量弱光的極限 這個(gè)速率由

24、光電倍增管的渡越時(shí)間離散決定。 光電倍增管的渡越時(shí)間離散為1020ns，因此輸出電流脈沖的半寬度tw亦為1020ns。 假定光電倍增管后續(xù)的放大器有足夠的帶寬，鑒別器和脈沖計(jì)數(shù)器都有足夠高的速率的理想情況下，為了分辨每個(gè)光電脈沖，光子速率最大值為： 個(gè)光子/秒8max101011nstRw 以發(fā)光二極管發(fā)射的560nm波長(zhǎng)的黃綠光計(jì)算，其光功率為 ： （瓦） 實(shí)際上光子計(jì)數(shù)器可以測(cè)量計(jì)數(shù)的弱光的光強(qiáng)要遠(yuǎn)低于這個(gè)數(shù)值，約在10-14瓦以下。有的甚至達(dá)到 10-18W。 單光子的能量： 對(duì)于波長(zhǎng)=600nm的桔紅色光，每個(gè)光子的能量約為： mmmRchRhvP111018.1mPhchEpJ191

25、03 . 3 用光子計(jì)數(shù)器對(duì)波長(zhǎng)為560nm的弱光進(jìn)行探測(cè)時(shí)，在示波器上顯示的光電倍增管輸出波形如圖所示。 光功率為10-13瓦時(shí)，已看不到清晰的脈沖說(shuō)明光電管倍增管已來(lái)不及分辨單個(gè)光子了。 （a） 光強(qiáng)光強(qiáng)10-13瓦光電速率脈沖及噪聲瓦光電速率脈沖及噪聲 （b） 光強(qiáng)光強(qiáng)10-14瓦光電速率脈沖及噪聲瓦光電速率脈沖及噪聲 （c） 光強(qiáng)光強(qiáng)10-15瓦光電速率脈沖及噪聲瓦光電速率脈沖及噪聲 （c） 光強(qiáng)光強(qiáng)10-16瓦光電速率脈沖及噪聲瓦光電速率脈沖及噪聲 光子速率光子速率R（光子數(shù)（光子數(shù)/秒）秒）和光束功率和光束功率P之間的對(duì)之間的對(duì)應(yīng)數(shù)值關(guān)系及適應(yīng)的檢測(cè)方法如下表應(yīng)數(shù)值關(guān)系及適應(yīng)的檢測(cè)

26、方法如下表: : 光子計(jì)數(shù)器只能測(cè)量微弱光和超微弱光的功率，光子計(jì)數(shù)器只能測(cè)量微弱光和超微弱光的功率，不能測(cè)量功率大于不能測(cè)量功率大于1010-10-10W的光功率，的光功率，即不能測(cè)量含有多光子的光脈沖功率。即不能測(cè)量含有多光子的光脈沖功率。 鎖定放大鎖定放大單光子檢測(cè)技術(shù)和模擬檢測(cè)技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：u 測(cè)量結(jié)果受光電探測(cè)器的漂移、系統(tǒng)增益變化以及其它不穩(wěn)定因素的影響較小；u 消除了探測(cè)器的大部分熱噪聲的影響，大大提高了測(cè)量結(jié)果的信噪比；u 有比較寬的線性動(dòng)態(tài)區(qū)；u 輸出數(shù)字信號(hào)，適合與計(jì)算機(jī)接口連接進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理。 四、四、單光子計(jì)數(shù)的光電器件單光子計(jì)數(shù)的光電器件可用來(lái)作為單光子計(jì)數(shù)的

27、光電器件有許多種，u 光電倍增管（光電倍增管（PMT） u 雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD） u 增強(qiáng)型光電二極管（增強(qiáng)型光電二極管（IPD） u 微通道板（微通道板（MCP） u 微球板（微球板（MSP）u 真空光電二極管（真空光電二極管（VAPD）五、單光子探測(cè)器的現(xiàn)狀及其發(fā)展五、單光子探測(cè)器的現(xiàn)狀及其發(fā)展 對(duì)于可見(jiàn)光探測(cè)，光電倍增管有很好的響應(yīng)度，暗電流也非常小，很早就用于單光子計(jì)數(shù)，現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)比較成熟，市場(chǎng)上也有了不少類似的產(chǎn)品。 隨著人們對(duì)紅外光研究的不斷深入，特別是近年來(lái)量子通信技術(shù)、量子密碼術(shù)的研究不斷引起各國(guó)的重視，對(duì)紅外通信波段（850nm、1310nm和1550n

28、m）單光子探測(cè)器的研究尤為迫切。 光電倍增管卻顯得無(wú)能為力，即使是最好的紅外光陰極-Si陰極，光譜響應(yīng)到1050nm就已經(jīng)截止了，僅這一點(diǎn)就排除了光電倍增管在紅外通信波段的應(yīng)用。 在850nm波段，考慮到光電倍增管工作電壓很高和使用維護(hù)的復(fù)雜程度，在實(shí)際應(yīng)用中人們還是選用Si-APD雪崩光電二極管。 現(xiàn)在對(duì)Si的研究已經(jīng)趨于成熟，Si-APD也已經(jīng)有了比較好的制造工藝。國(guó)外已經(jīng)有公司開(kāi)發(fā)出了專門(mén)針對(duì)850nm單光子探測(cè)的商用Si-APD。 在1310nm和1550nm波段， Si-APD已經(jīng)不能用于進(jìn)行單光子探測(cè)了，一般選用InGaAs-APD，但由于制造工藝的問(wèn)題，目前還沒(méi)有專門(mén)針對(duì)單光子探

29、測(cè)的商用InGaAs-APD。目前對(duì)這兩個(gè)波段的單光子探測(cè)一般都是關(guān)于利用現(xiàn)有針對(duì)光纖通信的商用APD，通過(guò)優(yōu)化外圍驅(qū)動(dòng)電路，改善工作環(huán)境，使其達(dá)到單光子探測(cè)的目的。目前對(duì)單光子探測(cè)器將主要從兩個(gè)方面去研究 一方面，研制和開(kāi)發(fā)有高靈敏度新型結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器； 另一方面，研究和改進(jìn)探測(cè)器的外圍控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用現(xiàn)有的探測(cè)器進(jìn)行單光子探測(cè)。 本章結(jié)束本章結(jié)束第五章第五章 光子計(jì)數(shù)技術(shù)光子計(jì)數(shù)技術(shù) 5.1 光電倍增管光電倍增管 5.2 光電倍增管的偏置電路與接地方式光電倍增管的偏置電路與接地方式 5.3 光子計(jì)數(shù)器中的放大器光子計(jì)數(shù)器中的放大器 5.4 光子計(jì)數(shù)器測(cè)量弱光的上限光子計(jì)數(shù)器測(cè)量弱光的上限

30、 5.5 光子計(jì)數(shù)器中的鑒別器光子計(jì)數(shù)器中的鑒別器 5.6 光電倍增管的單光子響應(yīng)峰光電倍增管的單光子響應(yīng)峰 5.7 光電倍增管的計(jì)數(shù)坪區(qū)光電倍增管的計(jì)數(shù)坪區(qū)最佳偏壓的選擇最佳偏壓的選擇5.8 光子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差分析光子計(jì)數(shù)器的測(cè)量誤差分析 5.9 光子計(jì)數(shù)器的測(cè)量方法與應(yīng)用光子計(jì)數(shù)器的測(cè)量方法與應(yīng)用 5.10 模擬光子計(jì)數(shù)器模擬光子計(jì)數(shù)器 單光子探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域： 高分辨率的光譜測(cè)量、 非破壞性物質(zhì)分析、 高速現(xiàn)象檢測(cè)、 精密分析、大氣測(cè)污、 生物發(fā)光、放射探測(cè)、 高能物理、天文測(cè)光、光時(shí)域反射、 量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)等。由于單光子探測(cè)器在高技術(shù)領(lǐng)域的重要地位，已經(jīng)成為各國(guó)光電子學(xué)界重點(diǎn)研究

31、的課題之一 單光子探測(cè)技術(shù)和模擬檢測(cè)技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)： 測(cè)量結(jié)果受光電探測(cè)器的漂移、系統(tǒng)增益變化以 及其它不穩(wěn)定因素的影響較?。?消除了探測(cè)器的大部分熱噪聲的影響，大大提高 了測(cè)量結(jié)果的信噪比； 有比較寬的線性動(dòng)態(tài)區(qū)； 輸出數(shù)字信號(hào)，適合與計(jì)算機(jī)接口連接進(jìn)行數(shù)字 數(shù)據(jù)處理。 單光子計(jì)數(shù)器的組成單光子計(jì)數(shù)器的組成 單光子計(jì)數(shù)器由光電倍增管（單光子計(jì)數(shù)器由光電倍增管（PMT），前置放大器，），前置放大器，幅度鑒別器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。幅度鑒別器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。 高壓電源是使高壓電源是使PMT正常工作；正常工作； PMT必須配備制冷器以減少陰極的熱電子發(fā)射。必須配備制冷器以減少陰極的熱電子發(fā)射。 系統(tǒng)工作

32、原理系統(tǒng)工作原理PMT陰極接受光輻射，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過(guò)打拿極放大，輸出至陽(yáng)極。陽(yáng)極產(chǎn)生電流脈沖并經(jīng)過(guò)陽(yáng)極負(fù)載輸出，經(jīng)過(guò)放大器信號(hào)放大后送到鑒別器，鑒別器通過(guò)設(shè)置第一鑒別電平和第二鑒別電平來(lái)減少暗電流和干擾，計(jì)數(shù)器計(jì)得信號(hào)脈沖的個(gè)數(shù)并顯示出來(lái)。 目前人們對(duì)單光子探測(cè)器將主要從兩個(gè)方面去研究， 一方面，研制和開(kāi)發(fā)有高靈敏度新型結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器， 另一方面，研究和改進(jìn)探測(cè)器的外圍控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用現(xiàn)有的探測(cè)器進(jìn)行單光子探測(cè)。 光子成像技術(shù)光子成像技術(shù) 下面以光電倍增管為例，介紹光子計(jì)數(shù)器下面以光電倍增管為例，介紹光子計(jì)數(shù)器的原理與方法。的原理與方法。5.1 5.1 光子計(jì)數(shù)器中的光電倍增管光子計(jì)

33、數(shù)器中的光電倍增管 光電倍增管是光子計(jì)數(shù)器的核心部件，它將接收到的光子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)，光電倍增管正常工作，必須配備高壓電源。為了降低噪聲，還配備致冷器并不是所有的光電倍增管都適于制作光子計(jì)數(shù)器。 對(duì)用于光子計(jì)數(shù)器的光電倍增管有一些特殊的要求。 1 光電倍增管的工作原理光電倍增管的工作原理 光電倍增管是利用外光電效應(yīng)把入射光子轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦盘?hào)的探測(cè)器。 光電倍增管的結(jié)構(gòu)示意圖:D1 D3 D5 D7 D 9 D2 D4 D6 D8 D10 K是光電陰極，是光電陰極，D是聚焦極，是聚焦極，D1D10為倍增極（打拿極），為倍增極（打拿極），A為陽(yáng)極為陽(yáng)極 光電倍增管原理：外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)

34、光電倍增管原理：外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)K A 2 倍增極結(jié)構(gòu)與渡越時(shí)間倍增極結(jié)構(gòu)與渡越時(shí)間 渡越時(shí)間渡越時(shí)間: 從光電陰極K接受一個(gè)光子開(kāi)始，到陽(yáng)極收集到D10發(fā)射的二次電子為止所需的時(shí)間為。 渡越時(shí)間離散性：渡越時(shí)間離散性： 只是一個(gè)平均值。從D1發(fā)射二次電子，到D10發(fā)射二次電子，各極二次電子飛越的軌道不可能完全一致，渡越時(shí)間也就不可能完全相等，因此，陽(yáng)極從收集到第一個(gè)電子和最后一個(gè)電子的時(shí)間是不同的，這個(gè)時(shí)間差，就稱為渡越時(shí)間離散，記為。 渡越時(shí)間離散和渡越時(shí)間都和光電倍增管的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 要求：渡越時(shí)間短，渡越時(shí)間離散小。要求：渡越時(shí)間短，渡越時(shí)間離散小。 直列聚焦式光電倍增管的結(jié)

35、構(gòu)如圖所示。它的倍增極的形狀具有特定的弧形，它的這種弧形結(jié)構(gòu)可形成一個(gè)聚焦電場(chǎng)，使前級(jí)的二次發(fā)射電子能準(zhǔn)確地射到本倍增極的中央。 另外，還采取了一些附加措施，用以抑制空間電荷效應(yīng)，因此這種結(jié)構(gòu)的光電倍增管其渡越時(shí)間離散很小，渡越時(shí)間也較小。 若將其光陰極也制成曲面形狀，則這種管子最為適宜作光子計(jì)數(shù)器使用。 聚焦電極聚焦電極KA3 光電倍增管的增益與二次電子發(fā)射系數(shù)光電倍增管的增益與二次電子發(fā)射系數(shù) 由光電陰極與第一倍增極D1之間形成的電流稱為陰極電流Ik， 由最后一個(gè)倍增極與陽(yáng)極之間形成的電流是陽(yáng)極電流Ia。 倍增管的增益G定義為：kaIIG 設(shè)某一倍增極的入射電子數(shù)為N1， 在N1的激發(fā)下，

36、產(chǎn)生的二次電子數(shù)為N2，則定義： 為該倍增極的倍增系數(shù)。 倍增系數(shù)又稱為二次電子發(fā)射系數(shù)， m值一般為36， 與倍增極的材料和工作偏壓而定。 新的倍增極材料，m值可達(dá)50甚至更高。12NNm 在理想情況下，設(shè)陰極和倍增極發(fā)射的電子都被陽(yáng)極所收集，則光電倍增管的增益G和倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)m之間的關(guān)系為: n為倍增極的個(gè)數(shù)，一般為914， 假設(shè)每個(gè)倍增極的倍增系數(shù)是相等的。若m的取值范圍按36計(jì)，n按914計(jì)，則光電倍增管的增益G可高達(dá)7.81010，一般為105108之間。 nmG 光電倍增管吸收一個(gè)光子后，在陽(yáng)極形成一個(gè)電流脈沖，則其形狀如圖（b）所示。圖a為電荷累積的時(shí)間寬度，定義tw

37、為電流的脈沖寬度， 典型值為1020ns。取光電倍增管的增益G=106，tw=20ns，則可計(jì)算出陽(yáng)極電流脈沖的高度為：4 PMT陽(yáng)極電流脈沖與輸出電壓脈沖的計(jì)算陽(yáng)極電流脈沖與輸出電壓脈沖的計(jì)算)(81020106 . 1101091966AtqIwa秒庫(kù)侖 陽(yáng)極輸出電壓脈沖Va的形狀與大小，與陽(yáng)極負(fù)載Ra和分布電容Ca有很大的關(guān)系。 設(shè)計(jì)得好的光子計(jì)數(shù)器，分布電容Ca20pF， 取陽(yáng)極負(fù)載Ra=50，則陽(yáng)極時(shí)間常數(shù)RaCa=1ns。 在這種情況下，電壓脈沖與電流脈沖形狀相同，如圖（c）所示。 加大電容將使脈沖變小變寬；加大電阻則將使脈沖變大變寬，均不符合光子計(jì)數(shù)的要求。 在正常的RaCa情況

38、下，陽(yáng)極電壓的幅度為： 注意，這個(gè)數(shù)據(jù)是以光電倍增管的增益G=106為例計(jì)算得出的，不同的光電倍增管，其增益G是不同的，且G與偏置電壓有關(guān)。 )(4 . 0)(50)(8mVARIVaaa 為了使得光子計(jì)數(shù)器的光電倍增管正常地工作，獲得穩(wěn)定的增益G并使陽(yáng)極輸出電壓有最大的信噪比和窄的脈沖高度，必須設(shè)計(jì)合理的偏置電路。5.2 光電倍增管的偏置電路與接地方式光電倍增管的偏置電路與接地方式 光電倍增管的偏置電路可用電阻分壓器組成。 一般總電壓Vak在9002000V之間，由實(shí)驗(yàn)確定。 原則：各倍增極電壓在80150V之間。 理論分析表明：各倍增極電壓的穩(wěn)定與否將嚴(yán)重地影響光電倍增管增益G的穩(wěn)定性。1

39、.1.光電倍增管的偏置電路光電倍增管的偏置電路0 2kV 倍增極電流在分壓電路中，隨著倍增極電流的增大，對(duì)分壓電阻電流的分流愈大，因而會(huì)造成倍增極電壓的不穩(wěn)定，尤其是靠近陽(yáng)極的最后幾個(gè)倍增極。 為了減小倍增極電流變化帶來(lái)的倍增極電壓不穩(wěn)，要求各分壓電阻取得適當(dāng)值以保證流過(guò)電阻鏈的電流IR比最大陽(yáng)極電流Iamax大得多。 通常要求：IR20Iamax 注意：IR值也不能取得太大，否則分壓電阻的功耗增大，分壓電阻的功耗過(guò)大會(huì)使光電倍增管的管殼內(nèi)溫度明顯升高，從而增加熱電子發(fā)射，增加了噪聲。 分壓電阻值通常在20K1M范圍內(nèi)。 由于最后幾級(jí)倍增極的瞬時(shí)電流很大，會(huì)使R9R11上的壓降產(chǎn)生明顯的跳變，

40、導(dǎo)致倍增極電壓不穩(wěn)。 在最后三級(jí)電阻上并聯(lián)穩(wěn)壓電容C2、C2和C3，使電阻鏈上的分壓基本不變。 電容值的大小，可根據(jù)穩(wěn)壓要求決定。 通常并聯(lián)電容值在0.0020.05F之間。 光電倍增管工作時(shí)，陽(yáng)極電壓總是高于陰極電壓。接地方式有兩種。 一種是陰極接地，此時(shí)陽(yáng)極為正高壓； 另一種是陽(yáng)極接地，此時(shí)陰極為負(fù)高壓。2.2.光電倍增管的接地方式光電倍增管的接地方式這兩種接地方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)。陰極接地時(shí)： 陽(yáng)極輸出必須接一個(gè)耐高壓的電容器，以便將陽(yáng)極高壓和前置前大器隔離，這個(gè)電容器的接入使得輸出端RaCa時(shí)間常數(shù)變大，破壞了輸出的高頻特性。 只能測(cè)量交變的光信號(hào)。陽(yáng)極接地：陽(yáng)極接地： 優(yōu)點(diǎn)：可與前置放大

41、器直接耦合。 缺點(diǎn)：噪聲比較大。 原因：陰極為負(fù)高壓，光電倍增管工作時(shí)為了安全一般外罩必須接地，這就意味著外罩的壁和光電倍增管內(nèi)部電極之間有很大的負(fù)壓，特別是對(duì)陽(yáng)極和靠近陽(yáng)極的倍增極，由于這個(gè)高壓，可能在陰極和倍增極與外罩間形成漏電流，這個(gè)漏電流流經(jīng)玻璃時(shí)會(huì)產(chǎn)生熒光。 如果管壁有熒光，熒光發(fā)射的光子將會(huì)到達(dá)光陰極，產(chǎn)生誤計(jì)數(shù)。 為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，必須在罩里面加一屏蔽，放在光電倍增管的管壁和外罩內(nèi)壁之間，此屏蔽經(jīng)一電阻聯(lián)到陽(yáng)極，這樣就可不再有漏電流流經(jīng)光電倍增管的管壁，從而消除了熒光，也消除了熒光帶來(lái)的誤計(jì)數(shù)。5.3 光子計(jì)數(shù)器中的放大器光子計(jì)數(shù)器中的放大器光子計(jì)數(shù)器中的光電倍增管一般采用陽(yáng)極接

42、地方式，這樣陽(yáng)極輸出電流脈沖可直接耦合到一個(gè)低輸入阻抗的寬帶放大器的輸入端。如果陽(yáng)極脈沖電流幅度為8A，寬度為20ns，前置放大器的輸入阻抗為50，則前放輸入端電壓脈沖幅度為：0.4 mV， 脈沖寬度為：20 ns。 假定該脈沖近似為矩形方波，由信號(hào)分析可知，該信號(hào)的帶寬Bf =50MHz； 如果tw=10ns，則Bf=100MHz。 因此前置放大器的通頻帶必須大于100MHz。 所以，與光電倍增管陽(yáng)極輸出相連的前置放大器 應(yīng)是低噪聲、高精度的寬帶放大器低噪聲、高精度的寬帶放大器。 光子計(jì)數(shù)器是測(cè)量弱光的儀器，如果被檢測(cè)光束光子速率過(guò)大，則光電倍增管不能分辨，無(wú)法計(jì)數(shù)。 因此光子計(jì)數(shù)器只能對(duì)一

43、定光子速率以下的光子束進(jìn)行計(jì)數(shù)測(cè)量。5.4 光子計(jì)數(shù)器測(cè)量弱光的極限光子計(jì)數(shù)器測(cè)量弱光的極限 這個(gè)速率由光電倍增管的渡越時(shí)間離散決定。 光電倍增管的渡越時(shí)間離散為1020ns，因此輸出電流脈沖的半寬度tw亦為1020ns。 假定光電倍增管后續(xù)的放大器有足夠的帶寬，鑒別器和脈沖計(jì)數(shù)器都有足夠高的速率的理想情況下，為了分辨每個(gè)光電脈沖，光子速率最大值為： 個(gè)光子/秒8max101011nstRw 以發(fā)光二極管發(fā)射的560nm波長(zhǎng)的黃綠光計(jì)算，其光功率為 ： （瓦） 實(shí)際上光子計(jì)數(shù)器可以測(cè)量計(jì)數(shù)的弱光的光強(qiáng)要遠(yuǎn)低于這個(gè)數(shù)值，約在10-14瓦以下。有的甚至達(dá)到 10-18W。 單光子的能量： 對(duì)于波長(zhǎng)

44、=600nm的桔紅色光，每個(gè)光子的能量約為： mmmRchRhvP111018.1mPhchEpJ19103 . 3 用光子計(jì)數(shù)器對(duì)波長(zhǎng)為560nm的弱光進(jìn)行探測(cè)時(shí)，在示波器上顯示的光電倍增管輸出波形如圖所示。 光功率為10-13瓦時(shí)，已看不到清晰的脈沖說(shuō)明光電管倍增管已來(lái)不及分辨單個(gè)光子了。 （a） 光強(qiáng)光強(qiáng)10-13瓦光電速率脈沖及噪聲瓦光電速率脈沖及噪聲 （b） 光強(qiáng)光強(qiáng)10-14瓦光電速率脈沖及噪聲瓦光電速率脈沖及噪聲 （c） 光強(qiáng)光強(qiáng)10-15瓦光電速率脈沖及噪聲瓦光電速率脈沖及噪聲 （c） 光強(qiáng)光強(qiáng)10-16瓦光電速率脈沖及噪聲瓦光電速率脈沖及噪聲 光子速率光子速率R（光子數(shù)（光子

45、數(shù)/秒）秒）和光束功率和光束功率P之間的對(duì)之間的對(duì)應(yīng)數(shù)值關(guān)系及適應(yīng)的檢測(cè)方法如下表應(yīng)數(shù)值關(guān)系及適應(yīng)的檢測(cè)方法如下表: : 光子計(jì)數(shù)器只能測(cè)量微弱光和超微弱光的功率，光子計(jì)數(shù)器只能測(cè)量微弱光和超微弱光的功率，不能測(cè)量功率大于不能測(cè)量功率大于1010-10-10W的光功率，的光功率，即不能測(cè)量含有多光子的光脈沖功率。即不能測(cè)量含有多光子的光脈沖功率。 鎖定放大鎖定放大 鑒別器的任務(wù)： 將由光子產(chǎn)生的脈沖電壓選擇出來(lái)，而將倍增極熱電子發(fā)射產(chǎn)生的小脈沖去掉。 光陰極的熱電子發(fā)射產(chǎn)生的暗計(jì)數(shù)脈沖，由于它和光子產(chǎn)生的脈沖幅度一樣，因此鑒別器是無(wú)法將它去掉的，這種暗計(jì)數(shù)只有通過(guò)兩次測(cè)量進(jìn)行扣除。 在進(jìn)行高計(jì)

46、數(shù)率的測(cè)量時(shí)，存在雙光子峰，因此鑒別器還必須對(duì)這種脈沖幅度是正常單光子脈沖2倍的雙光子脈沖要輸出2個(gè)脈沖供計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。 5.5 光子計(jì)數(shù)器中的鑒別器光子計(jì)數(shù)器中的鑒別器 雙閾值鑒別器方框圖如圖所示: 這種鑒別器由于有二個(gè)閾值電平，故可設(shè)有三種工作方式。 這種鑒別器由于有二個(gè)閥值電平，這種鑒別器由于有二個(gè)閥值電平，故可設(shè)有三種工作方式故可設(shè)有三種工作方式 （1）單電平工作方式）單電平工作方式（2 2）窗口工作方式）窗口工作方式 （3 3）校正工作方式）校正工作方式 第一鑒別電平和第二鑒別電平值，由PMT的脈沖高度分布脈沖高度分布（PHD）曲線決定5.6 5.6 光電倍增管的單光子響應(yīng)峰光電倍增管

47、的單光子響應(yīng)峰 可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得光電倍增管的脈沖高可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲得光電倍增管的脈沖高度分布曲線。度分布曲線。 下圖為測(cè)量光電倍增管的脈沖高度分布曲下圖為測(cè)量光電倍增管的脈沖高度分布曲線的原理框圖。線的原理框圖。 典型的PHD曲線 窗口比較器有兩個(gè)比較電平窗口比較器有兩個(gè)比較電平VH和和VL。VH為上限電平，為上限電平，VL為下為下限電平，當(dāng)輸入脈沖高度限電平，當(dāng)輸入脈沖高度Vi在在VH和和VL之間時(shí)，即之間時(shí)，即VHViVL，窗口比較器輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，窗口比較器輸出一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，供計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。選定不同的窄供計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。選定不同的窄窗口，對(duì)確定的時(shí)間間隔進(jìn)行窗口，對(duì)確定的時(shí)間間隔進(jìn)行計(jì)數(shù)，

48、即可作出光電倍增管的計(jì)數(shù)，即可作出光電倍增管的PHD曲線。曲線。為了分析和比較的需要，給出為了分析和比較的需要，給出峰谷比和分辨率的定義如下：峰谷比和分辨率的定義如下： VPEE谷占輸出脈沖幅度度單光子峰的輸出脈沖幅峰谷比PEE單光子峰的脈沖幅度單光子峰的半寬度分辨率 光子計(jì)數(shù)器中使用的光電倍增管除了要達(dá)到前述的有關(guān)特性和要求之外，還應(yīng)該有明顯的單光子響應(yīng)峰。 峰谷比越大峰谷比越大或分辨率越小分辨率越小的光電倍增管越適合于光子計(jì)數(shù)器使用。 在低計(jì)數(shù)率的弱光下不存在明顯的雙光子峰。 5.7 5.7 光電倍增管的計(jì)數(shù)坪區(qū)光電倍增管的計(jì)數(shù)坪區(qū) 最佳偏壓的選擇最佳偏壓的選擇 對(duì)同一個(gè)光電倍增管測(cè)量它的

49、計(jì)數(shù)率和陽(yáng)極與陰極高壓之間的關(guān)系時(shí)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高壓增加時(shí)，計(jì)數(shù)率增加。 隨著高壓的增加，計(jì)數(shù)率逐漸出現(xiàn)一個(gè)變化緩慢的坪區(qū)。將光電倍增管置于完全黑暗狀態(tài)測(cè)量其暗計(jì)數(shù)，則發(fā)現(xiàn)暗計(jì)數(shù)與高壓的關(guān)系不存在坪區(qū)，暗計(jì)數(shù)是隨高壓增加而不斷增加PMT的計(jì)數(shù)坪區(qū) 為了獲得最大信噪比，陽(yáng)極對(duì)陰極的高壓應(yīng)選擇為ua1即計(jì)數(shù)率開(kāi)始進(jìn)入坪區(qū)時(shí)的高壓，這是最佳偏置電壓。 小的暗計(jì)數(shù)適合于光子計(jì)數(shù)器使用。單光子探測(cè)技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域： 高分辨率的光譜測(cè)量、 非破壞性物質(zhì)分析、 高速現(xiàn)象檢測(cè)、 精密分析、大氣測(cè)污、 生物發(fā)光、放射探測(cè)、 高能物理、天文測(cè)光、光時(shí)域反射、 量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)等。由于單光子探測(cè)器在高技術(shù)領(lǐng)域的重要地位，已

50、經(jīng)成為各國(guó)光電子學(xué)界重點(diǎn)研究的課題之一 單光子探測(cè)技術(shù)和模擬檢測(cè)技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)： 測(cè)量結(jié)果受光電探測(cè)器的漂移、系統(tǒng)增益變化以 及其它不穩(wěn)定因素的影響較??； 消除了探測(cè)器的大部分熱噪聲的影響，大大提高 了測(cè)量結(jié)果的信噪比； 有比較寬的線性動(dòng)態(tài)區(qū)； 輸出數(shù)字信號(hào)，適合與計(jì)算機(jī)接口連接進(jìn)行數(shù)字 數(shù)據(jù)處理。 單光子計(jì)數(shù)器的組成單光子計(jì)數(shù)器的組成 單光子計(jì)數(shù)器由光電倍增管（單光子計(jì)數(shù)器由光電倍增管（PMT），前置放大器，），前置放大器，幅度鑒別器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。幅度鑒別器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。 高壓電源是使高壓電源是使PMT正常工作；正常工作； PMT必須配備制冷器以減少陰極的熱電子發(fā)射。必須配備制冷器以減少

51、陰極的熱電子發(fā)射。 系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理PMT陰極接受光輻射，進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)過(guò)打拿極放大，輸出至陽(yáng)極。陽(yáng)極產(chǎn)生電流脈沖并經(jīng)過(guò)陽(yáng)極負(fù)載輸出，經(jīng)過(guò)放大器信號(hào)放大后送到鑒別器，鑒別器通過(guò)設(shè)置第一鑒別電平和第二鑒別電平來(lái)減少暗電流和干擾，計(jì)數(shù)器計(jì)得信號(hào)脈沖的個(gè)數(shù)并顯示出來(lái)。 目前人們對(duì)單光子探測(cè)器將主要從兩個(gè)方面去研究， 一方面，研制和開(kāi)發(fā)有高靈敏度新型結(jié)構(gòu)的光探測(cè)器， 另一方面，研究和改進(jìn)探測(cè)器的外圍控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)，利用現(xiàn)有的探測(cè)器進(jìn)行單光子探測(cè)。 光子成像技術(shù)光子成像技術(shù) 下面以光電倍增管為例，介紹光子計(jì)數(shù)器下面以光電倍增管為例，介紹光子計(jì)數(shù)器的原理與方法。的原理與方法。5.1 5.1 光

52、子計(jì)數(shù)器中的光電倍增管光子計(jì)數(shù)器中的光電倍增管 光電倍增管是光子計(jì)數(shù)器的核心部件，它將接收到的光子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號(hào)，光電倍增管正常工作，必須配備高壓電源。為了降低噪聲，還配備致冷器并不是所有的光電倍增管都適于制作光子計(jì)數(shù)器。 對(duì)用于光子計(jì)數(shù)器的光電倍增管有一些特殊的要求。 1 光電倍增管的工作原理光電倍增管的工作原理 光電倍增管是利用外光電效應(yīng)把入射光子轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦盘?hào)的探測(cè)器。 光電倍增管的結(jié)構(gòu)示意圖:D1 D3 D5 D7 D 9 D2 D4 D6 D8 D10 K是光電陰極，是光電陰極，D是聚焦極，是聚焦極，D1D10為倍增極（打拿極），為倍增極（打拿極），A為陽(yáng)極為陽(yáng)極 光電倍增管原理：

53、外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)光電倍增管原理：外光電效應(yīng)和二次電子發(fā)射效應(yīng)K A 2 倍增極結(jié)構(gòu)與渡越時(shí)間倍增極結(jié)構(gòu)與渡越時(shí)間 渡越時(shí)間渡越時(shí)間: 從光電陰極K接受一個(gè)光子開(kāi)始，到陽(yáng)極收集到D10發(fā)射的二次電子為止所需的時(shí)間為。 渡越時(shí)間離散性：渡越時(shí)間離散性： 只是一個(gè)平均值。從D1發(fā)射二次電子，到D10發(fā)射二次電子，各極二次電子飛越的軌道不可能完全一致，渡越時(shí)間也就不可能完全相等，因此，陽(yáng)極從收集到第一個(gè)電子和最后一個(gè)電子的時(shí)間是不同的，這個(gè)時(shí)間差，就稱為渡越時(shí)間離散，記為。 渡越時(shí)間離散和渡越時(shí)間都和光電倍增管的結(jié)構(gòu)有關(guān)。 要求：渡越時(shí)間短，渡越時(shí)間離散小。要求：渡越時(shí)間短，渡越時(shí)間離散小

54、。 直列聚焦式光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖所示。它的倍增極的形狀具有特定的弧形，它的這種弧形結(jié)構(gòu)可形成一個(gè)聚焦電場(chǎng)，使前級(jí)的二次發(fā)射電子能準(zhǔn)確地射到本倍增極的中央。 另外，還采取了一些附加措施，用以抑制空間電荷效應(yīng)，因此這種結(jié)構(gòu)的光電倍增管其渡越時(shí)間離散很小，渡越時(shí)間也較小。 若將其光陰極也制成曲面形狀，則這種管子最為適宜作光子計(jì)數(shù)器使用。 聚焦電極聚焦電極KA3 光電倍增管的增益與二次電子發(fā)射系數(shù)光電倍增管的增益與二次電子發(fā)射系數(shù) 由光電陰極與第一倍增極D1之間形成的電流稱為陰極電流Ik， 由最后一個(gè)倍增極與陽(yáng)極之間形成的電流是陽(yáng)極電流Ia。 倍增管的增益G定義為：kaIIG 設(shè)某一倍增極的入射電子

55、數(shù)為N1， 在N1的激發(fā)下，產(chǎn)生的二次電子數(shù)為N2，則定義： 為該倍增極的倍增系數(shù)。 倍增系數(shù)又稱為二次電子發(fā)射系數(shù)， m值一般為36， 與倍增極的材料和工作偏壓而定。 新的倍增極材料，m值可達(dá)50甚至更高。12NNm 在理想情況下，設(shè)陰極和倍增極發(fā)射的電子都被陽(yáng)極所收集，則光電倍增管的增益G和倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)m之間的關(guān)系為: n為倍增極的個(gè)數(shù)，一般為914， 假設(shè)每個(gè)倍增極的倍增系數(shù)是相等的。若m的取值范圍按36計(jì)，n按914計(jì)，則光電倍增管的增益G可高達(dá)7.81010，一般為105108之間。 nmG 光電倍增管吸收一個(gè)光子后，在陽(yáng)極形成一個(gè)電流脈沖，則其形狀如圖（b）所示。圖a為

56、電荷累積的時(shí)間寬度，定義tw為電流的脈沖寬度， 典型值為1020ns。取光電倍增管的增益G=106，tw=20ns，則可計(jì)算出陽(yáng)極電流脈沖的高度為：4 PMT陽(yáng)極電流脈沖與輸出電壓脈沖的計(jì)算陽(yáng)極電流脈沖與輸出電壓脈沖的計(jì)算)(81020106 . 1101091966AtqIwa秒庫(kù)侖 陽(yáng)極輸出電壓脈沖Va的形狀與大小，與陽(yáng)極負(fù)載Ra和分布電容Ca有很大的關(guān)系。 設(shè)計(jì)得好的光子計(jì)數(shù)器，分布電容Ca20pF， 取陽(yáng)極負(fù)載Ra=50，則陽(yáng)極時(shí)間常數(shù)RaCa=1ns。 在這種情況下，電壓脈沖與電流脈沖形狀相同，如圖（c）所示。 加大電容將使脈沖變小變寬；加大電阻則將使脈沖變大變寬，均不符合光子計(jì)數(shù)的

57、要求。 在正常的RaCa情況下，陽(yáng)極電壓的幅度為： 注意，這個(gè)數(shù)據(jù)是以光電倍增管的增益G=106為例計(jì)算得出的，不同的光電倍增管，其增益G是不同的，且G與偏置電壓有關(guān)。 )(4 . 0)(50)(8mVARIVaaa 為了使得光子計(jì)數(shù)器的光電倍增管正常地工作，獲得穩(wěn)定的增益G并使陽(yáng)極輸出電壓有最大的信噪比和窄的脈沖高度，必須設(shè)計(jì)合理的偏置電路。5.2 光電倍增管的偏置電路與接地方式光電倍增管的偏置電路與接地方式 光電倍增管的偏置電路可用電阻分壓器組成。 一般總電壓Vak在9002000V之間，由實(shí)驗(yàn)確定。 原則：各倍增極電壓在80150V之間。 理論分析表明：各倍增極電壓的穩(wěn)定與否將嚴(yán)重地影響

58、光電倍增管增益G的穩(wěn)定性。1.1.光電倍增管的偏置電路光電倍增管的偏置電路0 2kV 倍增極電流在分壓電路中，隨著倍增極電流的增大，對(duì)分壓電阻電流的分流愈大，因而會(huì)造成倍增極電壓的不穩(wěn)定，尤其是靠近陽(yáng)極的最后幾個(gè)倍增極。 為了減小倍增極電流變化帶來(lái)的倍增極電壓不穩(wěn)，要求各分壓電阻取得適當(dāng)值以保證流過(guò)電阻鏈的電流IR比最大陽(yáng)極電流Iamax大得多。 通常要求：IR20Iamax 注意：IR值也不能取得太大，否則分壓電阻的功耗增大，分壓電阻的功耗過(guò)大會(huì)使光電倍增管的管殼內(nèi)溫度明顯升高，從而增加熱電子發(fā)射，增加了噪聲。 分壓電阻值通常在20K1M范圍內(nèi)。 由于最后幾級(jí)倍增極的瞬時(shí)電流很大，會(huì)使R9R

59、11上的壓降產(chǎn)生明顯的跳變，導(dǎo)致倍增極電壓不穩(wěn)。 在最后三級(jí)電阻上并聯(lián)穩(wěn)壓電容C2、C2和C3，使電阻鏈上的分壓基本不變。 電容值的大小，可根據(jù)穩(wěn)壓要求決定。 通常并聯(lián)電容值在0.0020.05F之間。 光電倍增管工作時(shí)，陽(yáng)極電壓總是高于陰極電壓。接地方式有兩種。 一種是陰極接地，此時(shí)陽(yáng)極為正高壓； 另一種是陽(yáng)極接地，此時(shí)陰極為負(fù)高壓。2.2.光電倍增管的接地方式光電倍增管的接地方式這兩種接地方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)。陰極接地時(shí)： 陽(yáng)極輸出必須接一個(gè)耐高壓的電容器，以便將陽(yáng)極高壓和前置前大器隔離，這個(gè)電容器的接入使得輸出端RaCa時(shí)間常數(shù)變大，破壞了輸出的高頻特性。 只能測(cè)量交變的光信號(hào)。陽(yáng)極接地：陽(yáng)

60、極接地： 優(yōu)點(diǎn)：可與前置放大器直接耦合。 缺點(diǎn)：噪聲比較大。 原因：陰極為負(fù)高壓，光電倍增管工作時(shí)為了安全一般外罩必須接地，這就意味著外罩的壁和光電倍增管內(nèi)部電極之間有很大的負(fù)壓，特別是對(duì)陽(yáng)極和靠近陽(yáng)極的倍增極，由于這個(gè)高壓，可能在陰極和倍增極與外罩間形成漏電流，這個(gè)漏電流流經(jīng)玻璃時(shí)會(huì)產(chǎn)生熒光。 如果管壁有熒光，熒光發(fā)射的光子將會(huì)到達(dá)光陰極，產(chǎn)生誤計(jì)數(shù)。 為了克服這個(gè)缺點(diǎn)，必須在罩里面加一屏蔽，放在光電倍增管的管壁和外罩內(nèi)壁之間，此屏蔽經(jīng)一電阻聯(lián)到陽(yáng)極，這樣就可不再有漏電流流經(jīng)光電倍增管的管壁，從而消除了熒光，也消除了熒光帶來(lái)的誤計(jì)數(shù)。5.3 光子計(jì)數(shù)器中的放大器光子計(jì)數(shù)器中的放大器光子計(jì)數(shù)器中的光電倍增管一