实验四单光子计数..docVIP

精选文档 实验四 单光子计数 光子计数也就是光电子计数，是轻微光（低于 10－ 14 W ）信号探测中的一种新技术。 它能够探测轻微到以单光子抵达时的能量。当前已被宽泛应用于喇曼散射探测、医学、生物学、物理学等很多领域里轻微光现象的研究。 轻微光检测的方法有：锁频放大技术、锁相放大技术和单光子计数方法。最早发展 的锁频原理是使放大器中心频次 f0 与待测信号频次相同， 进而对噪声进行克制。 但这类 方法存在中心频次不稳、带宽不可以太窄、对待测信号缺少追踪能力等弊端。此后发展了 锁相放大技术，它利用待测信号和参照信号的互有关检测原理实现对信号的窄带化处 理，能有效的克制噪声，实现对信号的检测和追踪。可是，当噪声与信号有相同频谱时 就力所不及， 此外它还受模拟积分电路漂移的影响， 所以在弱光丈量中遇到必定的限制。 单光子计数方法是利用弱光照耀下光电倍增管输出电流信号自然失散化的特点， 采纳了 脉冲高度甄别技术和数字计数技术。与模拟检测技术对比有以下长处： 1．丈量结果受光电倍增管的漂移、系统增益的变化及其余不稳固要素影响较小。 2．基本上除去了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增级的热发射噪声的影响，提升了 丈量结果的信噪比。可望达到由光发射的统计涨落性质所限制的信噪比值。 3．有比较宽的线性动向范围。 4．光子计数输出是数字信号，合适与计算机接口作数字数据办理。 所以采纳光子计数技术，能够把吞没在背景噪声中的轻微光信息提拿出来。当前一 － 17 般光子计数器的探测敏捷度优于 10 W ，这是其余探测方法所不可以比较的。 1．介绍这类轻微光的检测技术；认识 GSZFS-2B实验系统的构成原理。 2．认识光子计数的基根源理、基本实验技术和弱光检测中的一些主要问题。 3．认识轻微光的概率散布规律。 【实验原理】 1．光子 光是由光子构成的光子流，光子是静止质量为零、有必定能量的粒子，与必定的频 率 相对应。一个光子的能量 E0 可由下式决定： E0 h hc / （1） 式中 c =3× 108m/s ，是真空中的光速； h ＝ 6.6 × 10－34 J s ，是普朗克常数。比如 , 实验中所用的光源波长为 ＝5000? 的近单色光，则 E0 =3.96 × 10 － 19 J 。光流强度常 用光功率 P 表示，单位为 W 。单色光的光功率可用下式表示： P R Ep （ 2） 精选文档 精选文档 式中 R 为光子流量（单位时间内经过某一截面的光子数量） ，所以，只需能测得光 子的流量 R ，就能获取光流强度。假如每秒接收到 R ＝104 个光子数，对应的光功率为 4 －19 － 15 P R Ep ＝ 10 × 3.96 × 10 ＝3.96 × 10 W 。 2．丈量弱光岁月电倍增管输出信号的特点 在可见光的探测中，往常利用光子的量子特征，采纳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敏捷度和增益。当用于非弱光丈量时，往常是丈量阳 极对地的阳极电流 ( 图 1（ a） ) ，或丈量阳极电阻 RL 上的电压 ( 图 1（ b）) ，测得的信号 电压（或电流）为连续信号；但是在弱光条件下，阳极回路上形成的是一个个失散的尖脉冲。为此，我们一定研究在弱光条件下光电倍增管的输出信号特点。 图 1 光电倍增管负高压供电及阳极电路图 图 2 光电倍增管阳极波形 弱光信号照耀到岁月极上时，每个入射的光子以必定的概率（即量子效率）使岁月极发射一个光电子。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 上成立一个电压脉冲，这个脉冲称为“单光电子脉冲”见图 2。脉冲的 宽度 t w 取决于光电倍增管的时间特征和阳极回路的时间常数 RL C0 ，此中 C0 为阳极回 路的散布电容和放大器的输入电容之和。性能优秀的光电倍增管有较小的渡越时间分别，即从岁月极发射的电子经倍增极倍增后的电子抵达阳极的时间差较小。若想法使时 间常数较小则单光电子脉冲宽度 t w减小到 10－ 30 ns 。假如入射光很弱，入射的光子流是一个一个失散地入射到岁月极上，则在阳极回路上获取一系列分立的脉冲信号。 精选文档 精选文档 图 3 不一样光强下光电倍增管输出信号波形 图 3 是用 TDS3032B 示波器察看到的光电倍增管弱光输出信号经过放大器后的波形。当 入射光功率 Pi ≈10 － 11 W 时，光电子信号是向来流电平并叠加有闪耀噪声（ a）；当 Pi ≈ 10－ 12W 时，直流电平减小，脉冲重叠减小，但仍存在基线起伏（ b）；当光强连续降落 到 Pi ≈ 10 －13 W 时，基线开始稳固， 重叠脉冲很少 （c）；当 Pi ≈ 10 － 14W 时，脉冲无重叠， 基线趋于零（ d）