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单光子计数实验 姜志龙 电科091Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 一、实验目的： 观察微弱光的光量子现象； 研究鉴别电压（阈值）对系统性能的影响，确定最佳鉴别电压（阈值）； 了解光子计数器的信噪比，测试光子计数器的最低暗计数率和最小可检测光计数率； 学习用光子计数器测量微弱光信号的原理与技术。 Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 二、实验原理和仪器结构 2.1 原理 光子是静止质量为零，有一定能量的粒子。光是由光子组成的，光子的能量和波长（或频率）有关，即： 对于波长λ=600nm的桔红色光，每个光子的能量约为3.3×10-19J。 如果用R（CPS）表示表示到达光阴极的光子通量（光子数/秒），则光束功率P和光子通量R之间的关系为: Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 光子通量R和光束功率P之间的对应数值关系及适应的检测方法如下表: 超微弱光 微弱光 R(CPS) 10 102 103 104 105 106 107 108 109 P(W) 3.3×10-18 3.3×10-17 3.3×10-16 3.3×10-15 3.3×10-14 3.3×10-13 3.3×10-12 3.3×10-11 3.3×10-10 检测方法 光子计数 锁相放大 Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 光子计数器只能测量微弱光和超微弱光的功率，不能测量功率大于10-10W的光束功 K 光子 D1 D2 Dn A R1 率，不能测量含有多光子的光脉冲功率。 Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 光电倍增管的工作原理如图1所示。它是一种噪声小、高增益的光电传感器，当弱光照射到光阴极K时，每个入射光子以一定的概率(即量子效率η)使光阴极发射一个电子。这个光电子经倍增系统的倍增最后在阳极（打拿极）回路中形成一个电流脉冲，通过负载电阻R形成一个电压脉冲，这个脉冲称为单光子脉冲，也称为光电子脉冲。如果入射光很弱，入射的光几乎是一个个离散地入射到光阴极上的，则在阳极上得到一系列离散的脉冲信号。即光电倍增管输出的光信号是离散的尖脉冲，这些脉冲的平均计数效率与光子的流量成正比。 Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 在可见光的微弱、超微弱光检测中，目前光电倍增管是唯一适合在光子计数方法中使用的光信号探测器件。光电倍增管响应时间短、灵敏度高，能够输出适合光子计数的离散脉冲信号。采用高频示波器（200MHz以上）可以观察到用光电倍增管接收到的微弱光的输出信号。当光强度较大时，从光电倍增管输出的信号是一直流电平；随着光强度的逐渐减弱，光电倍增管中输出的直流分量愈来愈小，起伏的交流成分愈来愈大，从而成为一系列的脉冲信号。 Evaluation only. Created with Aspose.Slides for .NET 3.5 Client Profile 5.2.0.0. Copyright 2004-2011 Aspose Pty Ltd. 脉冲高度分布（PHD）： 光电倍增管暗计数（阴极和打拿极的热电子发射、光反馈、宇宙射线等）的脉冲高度与信号的脉冲高度有如下关系：各级打拿极热电子发射的脉冲高度小于光信号的脉冲高度，其脉冲数很大；光阴极的热电子发射及反馈光子的光电激发产生的脉冲高度等于光信号的脉冲高度，其脉冲数很少；宇宙射线激发输出的脉冲高度大于