實(shí)驗(yàn)五 單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)五單光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)光子計(jì)數(shù)技術(shù)，是檢測(cè)極微弱光的有利手段。這一技術(shù)是通過(guò)分辯單光子在檢測(cè)器（光電倍增管）中激發(fā)出來(lái)的光電子脈沖，把光信號(hào)從熱噪聲中以數(shù)字化的方式提取出來(lái)。這種系統(tǒng)具有很好的長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性和很高的探測(cè)靈敏度。目前，光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于科技領(lǐng)域中的極微弱光學(xué)現(xiàn)象的研究和某些工業(yè)部門(mén)中的測(cè)試工作。一、實(shí)驗(yàn)的目的1、學(xué)習(xí)光子計(jì)數(shù)技術(shù)原理。2、掌握光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)中主要儀器的基本操作。3、掌握用光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)微弱光信號(hào)的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器光電倍增管、電腦控制軟件、制冷系統(tǒng)、光電信號(hào)放大和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。三、實(shí)驗(yàn)的原理和結(jié)構(gòu)光子.光是由光子組成的光子流，光子是一種沒(méi)有靜止質(zhì)量，但有能量（動(dòng)量）的粒子一個(gè)頻率為v（波長(zhǎng)為九）的光子，其能量為E二hv二he/九p式中普朗克常數(shù)h=6.6x10-34（j.S）,光速c=3.0x108（m/s）.以波長(zhǎng)為九=6.3x10-7m的氦－氖激光為例，一個(gè)光子的能量為：仝3.1x10-19(J)廠6.6x仝3.1x10-19(J)E=p6.3x10-7一束單色光的功率等于光子流量乘以光子能量，即P=R?EP光子流量R（光子個(gè)數(shù)/s）為單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一截面的光子數(shù).如果設(shè)法測(cè)出入射光子的流量R,就可以計(jì)算出相應(yīng)的入射光功率P.有了一個(gè)光子能量的概念，就對(duì)微弱光的量級(jí)有了明確的認(rèn)識(shí)，例如，對(duì)于氦－氖激光器而言，lmw的光功率并不是弱光范疇.因?yàn)楣夤β蔖=lmw，則PR==3.2x1015光子/sEp所以，lmw的氦一氖激光，每秒有1015量級(jí)的光子，從光子計(jì)數(shù)的角度看，如此大量的光子數(shù)是很強(qiáng)的光了.對(duì)于光子流量值為1的氦一氖激光，其光功率是3.1x10-19W.當(dāng)R=1000個(gè)光子/s時(shí)，則光功率為3.1x10-15W.單光子計(jì)數(shù)器方法利用弱光下光電倍增管輸出電流信號(hào)自然離散的特點(diǎn)，采用脈沖高度甄別和數(shù)子計(jì)數(shù)技術(shù)將掩沒(méi)在背景噪聲中的弱光信號(hào)提取出來(lái)。當(dāng)弱光照射到光陽(yáng)極時(shí)，每個(gè)入射光子以一定的概率（即量子效應(yīng)）使光陰極發(fā)射一個(gè)電子。這個(gè)光電子經(jīng)倍增系統(tǒng)的倍增最后在陽(yáng)極回路中形成一個(gè)電流脈沖，通過(guò)負(fù)載電阻形成一個(gè)電壓脈沖，這個(gè)脈沖稱為單光子脈沖。除了電子脈沖外，還有各倍增極的熱反射電子在陽(yáng)極回路中形成的熱反射噪聲脈沖。熱電子受倍增的次數(shù)比光電子少，因而它在陽(yáng)極上形成的脈沖幅度較低。此外還有光有光陰極的熱反射形成的脈沖。噪聲脈沖和光電子脈沖的幅度的分布如下圖5-1所示。脈沖的幅度較小的主要是熱反射噪聲信號(hào)，而光陰極發(fā)射的電子（包括光電子和光電子）形成

的脈沖的幅度較大，出現(xiàn)“單光子峰”。用脈沖幅度甄別器把幅度低于Vh的脈沖抑制掉。只讓幅度高于Vh的脈沖通過(guò)就能實(shí)現(xiàn)單光子計(jì)數(shù)。單光子計(jì)數(shù)器中使用的光電倍增管其光譜響應(yīng)應(yīng)適合所用的工作波段，安電流要小（它決定管子的探測(cè)靈敏度），相應(yīng)速度及光陰極穩(wěn)定。光電倍增管性能的好壞直接關(guān)系到光子計(jì)數(shù)器能否正常工作。放大器的功能是把光電子脈沖和噪聲脈沖線性放大，應(yīng)有一定增益，上升時(shí)間W3ns,即放大器的通頻帶寬達(dá)lOOMz；有較寬的線性動(dòng)態(tài)范圍及低噪聲，經(jīng)放大的脈沖信號(hào)送至脈沖幅度甄別器。脈沖計(jì)數(shù)率脈沖計(jì)數(shù)率Vh（甄別電平）脈沖幅度V圖5-l光電倍增管輸出脈沖分布單光子計(jì)數(shù)器器的框圖見(jiàn)圖5-2整形輸出圖5-2單光子計(jì)數(shù)器器的框圖在脈沖幅度甄別器里設(shè)有一個(gè)連續(xù)可調(diào)的參考電壓Vh。如圖5-3所示，當(dāng)輸入脈沖高度低于Vh時(shí)，甄別器無(wú)輸出。只有高于Vh的脈沖，甄別器輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖。如果把甄別器電平選在圖5-3中的谷點(diǎn)對(duì)應(yīng)的脈沖高度上，就能去掉大部分噪聲脈沖而只有光電子脈沖通過(guò)，從而提高信噪比。脈沖幅度甄別器應(yīng)甄別電平穩(wěn)定；靈敏度高；死時(shí)間小、建立時(shí)間短、脈沖對(duì)分辨率小于10ns,以保證不漏計(jì)。甄別器輸出經(jīng)過(guò)整形的脈沖。計(jì)數(shù)器的作用是在規(guī)定的測(cè)量時(shí)間間隔內(nèi)將甄別器的輸出脈沖累加極數(shù)。圖5-3甄別器工作示意圖（a）放大器輸出（b）甄別器的輸出四、操作方法軟件安裝后，從“開(kāi)始”菜單執(zhí)行“程序”組的“GSZF-2”組，即可啟動(dòng)GSZF-2控制處理系統(tǒng)。（詳看使用說(shuō)明書(shū)）使用五、實(shí)驗(yàn)步驟1、連接好電纜及信號(hào)線；2、打開(kāi)電源；（開(kāi)電源前，請(qǐng)檢查不要讓強(qiáng)光照射接收器）3、啟動(dòng)軟件；4、在暗環(huán)境下，作閾值；并打印圖形；5、設(shè)定參數(shù)，（512以上）采集數(shù)據(jù)后自動(dòng)尋峰，記錄尋峰值作泊松分布圖；并打印圖形；6、工作結(jié)束后，關(guān)閉軟件；關(guān)閉儀器電源。六、思考與討論1、影響光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)的測(cè)