实验八 单光子计数实验.docVIP

实验八 单光子计数实验光子计数也就是光电子计数，即当光流强度小于10?16W时，光的光子流量可降到一毫秒内不到一个光子，因此该实验系统要完成的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． 它是微弱光信号探测中的一种新技术。它可以探测弱到光能量以单光子到达时的能量。目前已被广泛应用于喇曼散射探测、医学、生物学、物理学等许多领域里微弱光现象的研究。实验目的 1、介绍这种微弱光的检测技术；了解SGD-2实验系统的构成原理。 2、了解光子计数的基本原理、基本实验技术和弱光检测中的一些主要问题。 3、了解微弱光的概率分布规律。 实验原理 1、光子 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。与一定的频率υ相对应，一个光子的能量Ep可由下式决定： Ep=hυ=hc/λ （2－1） 式中c=3×108m/s，是真空中的光速；h＝6.6×10－34J·s，是普朗克常数。例如,实验中所用的光源波长为λ＝500 nm的近单色光，则Ep =3.96×10－19J。光流强度常用光功率P表示，单位为W。单色光的光功率与光子流量R（单位时间内通过某一截面的光子数目）的关系为： P＝R·Ep （2－2） 所以，只要能测得光子的流量R，就能得到光流强度。如果每秒接收到个光子数，对应的光功率为＝104×3.96×10－19＝3.96×10－15W。 2、测量弱光时光电倍增管输出信号的特征 在可见光的探测中，通常利用光子的量子特性，选用光电倍增管作探测器件。光电倍增管从紫外到近红外都有很高的灵敏度和增益。当用于非弱光测量时，通常是测量阳极对地的阳极电流(图2－1（a）)，或测量阳极电阻RL上的电压(图2－1（b）)，测得的信号电压（或电流）为连续信号；然而在弱光条件下，阳极回路上形成的是一个个离散的尖脉冲。为此，我们必须研究在弱光条件下光电倍增管的输出信号特征。 图2－1 光电倍增管负高压供电及阳极电路图 图2－2光电倍增管阳极波形 弱光信号照射到光阴极上时，每个入射的光子以一定的概率（即量子效率）使光阴极发射一个光电子。这个光电子经倍增系统的倍增，在阳极回路中形成一个电流脉冲，即在负载电阻RL上建立一个电压脉冲，这个脉冲称为“单光电子脉冲”见图（2－2）。脉冲的宽度tw取决于光电倍增管的时间特性和阳极回路的时间常数RLC0，其中C0为阳极回路的分布电容和放大器的输入电容之和。性能良好的光电倍增管有较小的渡越时间分散，即从光阴极发射的电子经倍增极倍增后的电子到达阳极的时间差较小。若设法使时间常数较小则单光电子脉冲宽度tw减小到10－30ns。如果入射光很弱，入射的光子流是一个一个离散地入射到光阴极上，则在阳极回路上得到一系列分立的脉冲信号。图2－为光电倍增管阳极回路输出脉冲计数率ΔR随脉冲幅度大小的分布。曲线表示脉冲幅度在V－（V+ΔV）之间的脉冲计数率ΔR与脉冲幅度V的关系，它与曲线（ΔR/ΔV）－V有相同的形式。因此在ΔV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。形成这种分布的原因有以下几点： 图2－光电倍增管输出脉冲幅度分布的微分曲线 ⑴除光电子脉冲外，还有各倍增极的热发射电子在阳极回路形成的热发射噪声脉冲。热电子受倍增的次数比光电子少，因此它们在阳极上形成的脉冲大部分幅度较低。 ⑵光阴极的热发射电子形成的阳极输出脉冲。 ⑶各倍增极的倍增系数有一定的统计分布（大体上遵从泊松分布）。因此，噪声脉冲及光电子脉冲的幅度也有一个分布，在图（2－）中，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（包括热发射电子和光电子）形成的脉冲，它的幅度大部分集中在横坐标的中部，出现“单光电子峰”。如果用脉冲幅度甄别器把幅度高于Vh 的脉冲鉴别输出，就能实现单光子计数。 3、光子计数器的组成 光子计数器的原理方框图如图2－所示。 图2－ 典型的光子计数系统 ⑴光电倍增管 光电倍增管性能的好坏直接关系到光子计数器能否正常工作。 对光子计数器中所用的光电倍增管的主要要求有：光谱响应适合于所用的工作波段；暗电流要小（它决定管子的探测灵敏度）；响应速度快、后续脉冲效应小及光阴极稳定性高。 为了提高弱光测量的信噪比，在管子选定之后，还要采取一些措施： ①光电倍增管的电磁噪声屏蔽 电磁噪声对光子计数是非常严重的干扰，因此，作光子计数用的光电倍增管都要加以屏蔽，最好是在金属外套内衬以坡莫合金。 ②光电倍增管的供电 通常的光电技术中，光电倍增管采用负高压供电，如图2－1所示,即光阴极对地接负高压，外套接地。阳极输出端可直