光电系统噪声分析 配套 实验 （全套）.docVIP

单光子计数实验 【实验目的】 1、了解单光子计数器的原理； 2、研究工作温度对计数率的影响； 3、研究计数率和入射光功率的关系。 【实验仪器】 单光子计数器以及相关软件 【实验原理】 该实验系统，由单光子计数器、制冷系统、外光路、电脑控制软件等组成。系统采用了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，便与计算机处理。 单光子计数方法利用弱光下光电倍增管输出电流信号自然离散的特征，采用脉冲高度甄别和数字计数技术将淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。当弱光照射到光阴极时，每个入射光子以一定的概率（即量子效率）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回路中形成一个电流脉冲，通过负载电阻形成一个电压脉冲，这个脉冲称为单光子脉冲。除光电子脉冲外，还有各倍增极的热反射电子在阳极回路中形成的热反射噪声脉冲。热电子受倍增的次数比光电子少，因而它在阳极上形成的脉冲幅度较低。此外，还有光阴极的热反射形成的脉冲。噪声脉冲和光电子脉冲的幅度的分布如图2-1所示。脉冲幅度较小的主要是热反射噪声信号，而光阴极反射的电子（包括光电子和热反射电子）形成的脉冲幅度较大，出现“单光电子峰”。用脉冲幅度甄别器把幅度低于Vh的脉冲抑制掉。只让幅度高于Vh的脉冲通过就能实现单光子计数。 单光子计数器中使用的光电倍增管其光谱响应适合所用的工作波段，暗电流要小（它决定管子的探测灵敏度），相应速度及光阴极稳定。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。 放大器的功能是把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大，应有一定的增益，上升时间≤3ns，即放大器的通频带宽达100Mz；有较宽的线性动态范围及低噪声，经放大的脉冲信号送至脉冲幅度甄别器。单光子计数器的框图见图2-2 在脉冲幅度甄别器里设有一个连续可调的参考电压。如图2-3所示，当输入脉冲高度低于Vh时，甄别器无输出。只有高于Vh的脉冲，甄别器输出一个标准脉冲。如果把甄别器电平选在图2-3中的谷点对应的脉冲高度上，就能去掉大部分噪声脉冲而只有光电子脉冲通过，从而提高信噪比。脉冲幅度甄别器应甄别电平稳定；灵敏度高；死时间小、建立时间短、脉冲对分辨率小于10ns，以保证不漏计。甄别器输出经过整形的脉冲。 计数器的作用是在规定的测量时间间隔内将甄别器的输出脉冲累加计数。 【仪器结构】 1.光源 用高亮度发光二极管作光源，波长中心500nm，半宽度30nm。为提高入射光的单色性，仪器准有窄带滤光片，其半宽度为18nm。 2.接收器 接收器采用CR125光电倍增管为接收器，试验采用半导体致冷器降低光电倍增管的工作温度，最低温度可达-20℃。 3.光路 实验系统的光路如图2-3所示。 为了减小杂散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。另外在筒的另一端由用来连接减光片的螺纹接口，加入了减光片(AB2 , AB5,AB10各一块)，窄带滤光片一块，以及半透半反镜一块 【实验内容】 1. 测量暗记数率Rd和光计数率Rp随光倍增管工作温度变化的关系，研究工作温度对Rd和Rp的影响。 2. 研究光计数率Rp和入射光功率P的对应关系。 （1）画出接受光信号的信噪比与接受光功率的关系曲线，确定最小可监测功率（即探测灵敏度） （2）.测量几种入射光功率的光计数率Rp。 【实验】 1、测量暗电流 （1）先将光源关闭，并按下功率监测按钮，档位选择200μW处，调零。 （2）打开桌面Gszf-2型单光子计数系统软件在参数设置页面中，按下图所示进行参数设置(积分时间选1000ms高压选7)；按开始按钮，自动开始计数。 在计数完毕以后将图中100个计数点的数据求平均值，得到暗计数率 2、光功率测量 （1）将光源功率调节旋钮调至最小，打开光源开关。 （2）调节光源功率旋钮调至一个较小的值，使得功率测量仪表面板上有一个读数，记录这个读数为P1 （3）换一个寄存器，仍按上图所示进行测量100个计数点的数据求平均值，得到光计数率： （4）．然后根据单光子计数器的量子接收效率，可算出对应的光源发射功率P （5）．测量多组数据，做出P-Rp:曲线，再找到Rp=Rd时，所对应的Pd是多少。数据光电倍增管读数计算出的入射光功率大小和功率测量仪表面板上读数计算出的入射光功率说出Pd的物理意义。 计算光源发射功率P的时候，由于加入了减光片(AB2 , AB5,AB10各一块)，窄带滤光片一块，以及半透半反镜一块参数如下， 名称 透过率 反射率 备注 窄带滤波片 88% 中心波长500nm AB2 2% AB5 5% AB10 10% 半透半反镜 27% 23% 入射到光电倍增管上的光功率为P0，本实验用光源的发射功率为P，功率