06 单光子计数 实验报告
单光子计数
鲁东大学物理与光电工程学院——近代物理实验（Ⅱ）学号 姓名 班级 日期 单光子计数实验系统 1.实验目的 （1）了解单光子计数器的结构和工作原理； （2）学习用单光子计数系统检验微弱光信号的方法； （3）研究鉴别电压对系统性能的影响，确定最佳鉴别电压（阈值）； （4）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； 2.实验原理 2.1光子流量和光流强度 光具有波粒二像性，其粒子性特征物理量（能量E 和动量p ）与波动性特征物理量（频率ν和波长λ）的关系是 /;//E hv hc p h E c λλ==== （1） 式中h 是普朗克常量，c 是光速。 在弱光情况下，光的量子性特征明显，即光子。一束单色光可以看成是光子流，光子流量R （CPS ）定义为单位时间内通过某一截面的光子数(单位：秒-1，或Hz)，光流强度是单位时间内通过某一截面的光能量E ，用光功率P 表示。单色光的光功率P 等于光子流量R 乘以单光子能量(本实验所用单色光500nm ，光子能量E=4×10-19J)，即 P RE = （2） 测得入射光子流量R ，即可计算出相应的入射光功率P 。 表1光子流量R(CPS)和光功率P(W)之间的对应数值关系及检测方法 2.2单光子计数 在量子通讯、量子光学、生物化学发光分析等领域中，辐射光强度极其微弱，光子流量 为1~103，光电管的阴极受光照射产生光电子，经过多级倍增在阳极产生一系列分立的尖脉冲（光电子脉冲），再对脉冲进行放大、甄别后进行脉冲计数。脉冲的平均数量与光子流量成正比，在一定的时间内对光脉冲计数，便可检测到光子流量，这种测量光强的方法称为光子计数。实际的光电管中，入射光子是以一定概率（量子效率η）产生光电子，考虑到光电倍增管的量子效率η，可由脉冲计数率R p (CPS)换算出光子流量R /p R R η= (CPS) （3） 光子计数器主要由光源、光阑筒、光电倍增管、放大器、甄别器、计数器等组成，图1. 图1单光子计数器原理
用单光子计数器检测微弱光
项目四用单光子计数器检测微弱光 I、项目简介 光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于10－14W）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。 [项目对象] 本项目可面向理、工、农、林各专业。 [项目目的] 1、介绍微弱光的检测技术，使学生了解SGD-1实验系统的构成原理； 2、了解单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以及了解 微弱光的概率分布规律。 [项目任务] 使用SGD-1型单光子计数器实验系统检测微弱光，观察不同强度的光线入射时光电倍增管的输出波形分布并推算出相应的光功率。 [项目成果要求] 最后以项目论文形式给出结论（注：论文中需包含检测所得的图像）。
II、实验讲义 单光子计数也就是单光电子计数，是微弱光（低于10－14W）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。单光子计数方法，是利用弱光照射下光电倍增管输出电流信号自然离散化的特征，采用了脉冲高度甄别技术和数字计数技术。与模拟检测技术相比有以下优点： 1、测量结果受光电倍增管的漂移、系统增益的变化及其它不稳定因素影响较小。 2、基本上消除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，提高了 测量结果的信噪比。可望达到由光发射的统计涨落性质所限制的信噪比值。 3、有比较宽的线性动态范围。 4、光子计数输出是数字信号，适合与计算机接口作数字数据处理。 所以采用光子计数技术，可以把淹没在背景噪声中的微弱光信息提取出来。目前一般光子计数器的探测灵敏度优于10－17W，这是其它探测方法所不能比拟的。 一、项目任务 使用SGD-1型单光子计数器实验系统检测微弱光，观察不同强度的光线入射时光电倍增管的输出波形分布并推算出相应的光功率。 二、仪器介绍 本实验使用的是SGD-1型单光子计数器。 主要由光电倍增管、电源、放大系统、光源 组成，采用USB接口。 光信号输入器————————————— （内含光电倍增管） 单光子计数器电源 （内含放大系统、甄别器等）—————— USB接口—————————— 高压输入————————————————— Y轴输入————————————————
单光子计数
单光子计数 摘要：单光子计数是测量弱光信号最灵敏和有效的实验手段，采用光电倍增管作为光子到电子的变换器，通过分辨单个光子在光电倍增管中激发出来的光电子脉冲，利用脉冲高度甄别技术和数字计数技术，把光信号从热噪声中以数字话的方式提取出来。 关键词：光电倍增管光电子脉冲 一、引言 通常在一些基本的科研领域，特别是某些前沿学科，诸如高分辨率光谱学、非线性光学、拉曼光谱学、表面物理学的研究方面，都会遇到极微弱的光信息(简称弱光）检测问题。所谓弱光是指光流强度比光电倍增管本身的热噪声(10-14W）还要低，以致用一般的直流检验方法已经很难从这种噪声中检测出信号。 与模拟检测技术相比，单光子计数技术有如下的优点： 1、消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增极的热发射噪声的影响，提高了测量的信噪比。 2、时间稳定性好。在单光子计数系统中，光电倍增管漂移、系统增益的变化，零点漂移和其他因素对计数影响不大。 3、可输出数字信号，能够直接输出给计算机进行分析处理。 4、有比较宽的探测灵敏度，目前一般的光子计数器探测灵敏度优于10-17W，这是其他探测方法达不到的。 二、实验原理 1、光子流量和光流强度 光是由光子组成的光子流，单个光子的能量ε与光波频率ν的关系是 （1） 式中c是真空中的光速，h是普朗克常数，λ是波长。 光子流量可用单位时间内通过的光子数R表示，光流强度是单位时间内通过的光能量，常用光功率P表示。单色光的光功率P与光子流量R的关系是 =（2） P Rε 如果光源发出的是波长为630nm的近单色光，可以计算出一个光子的能量ε为 ε = 3.13×10-19J 当光功率为P=10-16W时，这种近单色光的光子流量R为 R = 3.19×102s-1 当光流强度小于10-16W时通常称为弱光，此时可见光的光子流量可降到一毫秒内不到一个光子。因此实验中要完成的将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。 2、测量弱光时光电倍增管的输出特性 当光子入射到光电倍增管的光阴极上时，光阴极吸收光子后将发射出一些光子，光阴极产生的光电子数与入射到阴极上的光子数之比成为量子效率。大多数材料的量子效率都在
稳态瞬态荧光光谱仪(FLS 920)操作说明书
稳态/瞬态荧光光谱仪（FLS 920）操作说明书 中级仪器实验室 一、仪器介绍 1.FLS 920稳态/瞬态荧光光谱仪具有两种功能 稳态测量：激发光谱(荧/磷光强度~激发波长)、发射光谱(荧/磷光强度~发射波长)、同步扫描谱(固定波长差、固定能量差、可变角)。 瞬态测量：荧光(磷光)寿命(100ps—10s)。 适合各类液体和固体样品的测试。 2.主要应用 高分子和天然高分子自然荧光的研究 溶液中大分子分子运动的研究 固体高分子取向的研究 高聚物光降解和光稳定的研究 光敏化过程的研究 3.主要性能指标 光谱仪探测范围：(光电倍增管， 190－870nm；Ge探测器，800－1700nm) 荧光寿命测量范围：100ps－10s 信噪比：6000：1(水峰Raman) 可以配用制冷系统，为样品提供变温环境 液氮系统(77K－320K) 使用Glan棱镜，控制激发光路、发射光路的偏振状态 使用450W氙灯和纳秒、微秒脉冲闪光灯做激发光源 F900系统软件：控制硬件，包括变温系统，数据采集、分析
4. 仪器主要部分结构图
5.仪器光路图 二、仪器测试原理(SPC) 时间相关单光子计数原理是FLS920测量荧光寿命的工作基础。 时间相关单光子计数法(time－correlated single photon counting)简称“单光子计数(SPC)法”，其基本原理是，脉冲光源激发样品后，样品发出荧光光子信号，每次脉冲后只记录某特定波长单个光子出现的时间t，经过多次计数，测得荧光光子出现的几率分布P(t)，此P(t)曲线就相当于激发停止后荧光强度随时间衰减的I(t)曲线。这好比一束光(许多光子)通过一个小孔形成的衍射图与单个光子一个一个地通过小孔长时间的累计可得完全相同的衍射图的原理是一样的。
光子计数技术
光子计数技术 光子计数技术，是检测极微弱光的有力手段，这一技术是通过分辨单个光子在检测器（光电倍增管）中激发出来的光电子脉冲，把光信号从热噪声中以数字化的方式提取出来。这种系统具有良好的长时间稳定性和很高的探测灵敏度。目前，光子技术系统广泛应用于科技领域中的极微弱光学现象的研究和某些工业部分中的分析测量工作，如在天文测光、大气测污、分子生物学、超高分辨率光谱学、非线性光学等现代科学技术领域中，都涉及极微弱光信息的检测问题。 现代光子计数技术的优点是： 1．有很高的信噪比。基本上消除了光电倍增管的高压直流漏电流和各倍增极的热电子发射形成的暗电流所造成的影响。可以区分强度有微小差别的信号，测量精度很高。 2．抗漂移性很好。在光子计数测量系统中，光电倍增管增益的变化、零点漂移和其他不稳定因素对计数影响不大，所以时间稳定性好。 3．有比较宽的线性动态范围，最大计数率可达106s-1. 4．测量数据以数字显示，并以数字信号形式直接输入计算机进行分析处理。 一．实验的目 1．学习光子计数技术的原理，掌握光子计数系统中主要仪器的基本操作。 2．掌握用光子计数系统检测微弱光信号的方法。了解弱光检测中的一些特殊问题。 二．实验原理 （一）光子流量和光流强度 光是由光子组成的光子流，光子是一种没有静止质量，但有能量（动量）的粒子。一个频率为（或波长为）的光子，其能量为 （2－8－1）式中普朗克常量， 光速（m／s）。以波长＝6.310m的氦—氖激光为例，一个光子的能量为： =(J) 一束单色光的功率等于光子流量乘以光子能量，即 （2－8－2） 光子的流量R（光子个数／S）为单位时间内通过某一截面的光子数，如果设法测出入射光子的流量R，就可以计算出相应的入射光功率P。 有了一个光子能量的概念，就对微弱光的量级有了明显的认识，例如，对于氦—氖激光器而言，1mW的光功率并不是弱光范畴，因为光功率P=1mW,则
时间相关单光子计数荧光寿命测量中数据获取和处理
第18卷 第2期 核电子学与探测技术Vo l.18N o.21998年3月N uclear Electr onics &D etectio n T echno lo gy M ar ch 1998 时间相关单光子计数荧光寿命 测量中数据获取和处理 龚达涛 刘天宽 虞孝麒 沈广德 施朝淑 邓杰 杨炳忻 (中国科学技术大学近代物理系,合肥,230027) 本文介绍了时间相关单光子计数荧光寿命测量中的数据获取系统和数据分析方法。 关键词:时间相关单光子计数 荧光寿命 最小二乘曲线拟合 多指数函数拟合 1 引言 时间相关单光子计数技术[1]是测量纳秒级荧光寿命的一种方法,具有时间分辨好,灵敏度高等优点,在物理学、化学、生物医学等领域有广泛的应用。下面介绍我校物理系和近代物理系 合作建立的一套时间相关单光子计数荧光寿命测量系统中的数据获取系统和数据处理方法。图1 脉冲放电光源作为激发源的荧光谱仪的系统组成框图 2 数据获取系统 使样品产生荧光的激发源可以是激光、脉冲 放电光、同步辐射光、放射源等。图1是脉冲放电 光源作为激发源的荧光谱仪的系统组成框图。 激发光单色仪和荧光单色仪分别选取合适波 长的激发光和出射荧光。调节光通量使进入光电 倍增管的荧光为单光子。样品发射荧光经光电倍 增管、快放大器、恒比定时甄别器作为时幅变换器 (TAC )的启动信号(START ),脉冲光源的光经 光电倍增管、快放大器、恒比定时甄别器、延时器 作为TAC 的停止信号(ST OP)。用荧光作T AC 的启动信号可避免有激发光无荧光时T AC 超时 引起的死时间。模数变换器(ADC )、微机输入接 口卡和微计算机组成了计算机化的多道分析器, 用以测量样品的荧光衰变时间谱。微机输入接口卡还通过对两个恒比定时甄别器的输出信号计数来测量激发光和荧光的计数率,以监测样品的荧光激发效率。其中微机输入接口卡是我们自行研制的。 荧光谱仪的时间分辨主要由光电倍增管、快脉冲放大器、恒比定时甄别器、TAC 、ADC 等部件的时间晃动决定。测试表明,在其他部件仔细选择的情况下,该谱仪的时间分辨主要由光电倍增管的时间晃动决定[2]。119
单光子计数
单光子计数 摘要：本文简单介绍了单光子计数的原理、单光子计数器的主要性能及其操作方法，并用单光子计数器检测了微弱光信号。 关键词：单光子；单光子计数器；微弱光信号 1.引言 通常在一些基本的科研领域，特别是某些前沿学科，诸如高分辨率光谱学、非线性光学、拉曼光谱学、表面物理学的研究方面，都会遇到极微弱的光信息（简称弱光）检测问题。所谓弱光是指光电流强度比光电倍增管本身的热噪声（10^-14W）还要低，以致用一般的直流检测方法已很难从这种噪声中检测出信号。 单光子计数是目前测量微弱光信号最灵敏和有效的实验手段，这种技术中，一般都采用光电倍增管作为光子到电子的变换器（近年来，也有用微通道板和雪崩光电二极管的），通过分辨单个光子在光电倍增管中激发出来的光电子脉冲，利用脉冲高度甄别技术和数字计数技术，把光信号从热噪声中以数字化的方式提取出来。与模拟检测技术相比，单光子计数技术有如下的优点： 1.消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增极的热发射噪声的影响，提高了测量的信噪比。 2.时间稳定性好。在单光子计数系统中，光电倍增管漂移、系统增益的变化，零点漂移和其他不稳定因素的计数影响不大。 3.可输出数字信号，能够直接输出给计算机进行分析处理。 4.有比较宽的线性动态范围，最大计数率可达10^6s^-1。 5.有很高的探测灵敏度，目前一般的光子计数器探测灵敏度优于10^-17W，这是其他探测方法达不到的。 2.实验目的 1.了解单光子计数工作原理。 2.了解单光子计数器的主要性能，掌握其基本操作方法。 3.了解用单光计数器系统结检测微弱光信号的方法。 3.实验原理 3.1光子流量和光流强度
单光子计数
单光子计数 【摘要】本实验主要学习了以PMT 为探测器的光子计数技术的基本实验方法，测量出了以中心波长为500nm 的发光二极管作为光源时，系统最佳甄别电平为300mV ；在此甄别电平下研究了信噪比R SN 与测量时间t 和入射光光功率P 0的关系，得出了测量时间越大、入射光功率越小，信噪比越大的结论；最后研究了工作温度T 对暗计数率的影响，发现温度降低暗计数率减小至一定值后保持稳定的较小值，得出可以通过降温增大信噪比的结论。 【关键词】单光子计数，信噪比，甄别电平，暗计数率 一、引言 现代科学技术许多领域都会涉及微弱光信息的检测问题，微弱光信号是时间的上的比较分散的光子，因而由检测器（通常是光电倍增管，以下简称PMT ）输出的将是自然离散化的电信号。针对这一特点发展起来的单光子计数技术，采用脉冲放大、脉冲甄别和数字计数技术，大大提高了弱光探测的灵敏度，一般可以优于10-17，这是其他弱信号探测方法所不能比拟的。 光子计数计数有如下优点：第一，有很高的信噪比，基本消除了PMT 的高压直流漏电流和各倍增极的热点子的发射形成的暗电流所造成的影响，可以区分强度有微小差别的信号，测量精度很高；第二：抗漂移性很好，在光子计数测量系统中，PMT 增益的变化/零点漂移和其他不稳定因素影响不大，所以时间稳定性好;第三：有比较宽的线性动态范围，最大计数率可单位多达107/s 。 本实验学习以PMT 为探测器的光子计数技术基本实验方法并通过实验了解光子计数方法和弱光检测中的一些特殊问题，确定了弱光测量需要的最佳甄别电平，研究了信噪比R SN 与积分时间t 和入射光功率P 0和的关系，以及工作温度T 对暗计数率的影响。 二、实验原理 （一）物理原理 1、光子流量与光流强度 光是由光子组成的光子流，单个光子的能量是E p 与光波频率ν的关系是 p hc E h νλ == （1） 其中，光子流量R 表示单位时间内通过的光子数，光流强度P 是单位时间内通过的光能量即光功率，且有 p P RE =（2） 当光流强度小于16 10 W -时通常称为弱光，此时可见光的光子流量可见到1ms 内不到一个光子，因此实 验中的要完成的将是对单个光子进行进检测，进而得出弱光的光流强度，这就是单光子计数。 2、PMT 输出的信号波形 PMT 是一种从紫外到近红外都有极高的灵敏度和超快时间响应的真空电子管类光探测器件，用于各种
3.4 单光子计数
实验3.4 单光子计数 一、引言 通常在一些基本的科研领域，特别是某些前沿学科，诸如高分辨率光谱学、非线性光学、拉曼光谱学、表面物理学的研究方面，都会遇到极微弱的光信息（简称弱光）检测问题。所谓弱光是指光流强度比光电倍增管本身的热噪声（10-14W）还要低，以致用一般的直流检验方法已经很难从这种噪声中检测出信号。 单光子计数是目前测量弱光信号最灵敏和最有效的实验手段，这种技术中，一般都采用光电倍增管作为光子到电子的变换器（近年来，也有用微通道管和雪崩光电二极管的），通过分辨单个光子在光电倍增管中散发出来的光电子脉冲，利用脉冲高度甄别技术和数字计数技术，把光信号从热噪声中以数字化的方式提取出来。与模拟检测技术相比，单光子计数技术有如下的优点： 1.消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增极的热发射噪声的影响，提高了测量的信噪比。 2.时间稳定性好。在单光子计数系统中，光电倍增管漂移、系统增益的变化，零点漂移和其他因素对计数影响不大。 3.可输出数字信号，能够直接输出给计算机进行分析处理。 4.有比较宽的线性动态范围，最大计数率可达106s-1。 5.有很宽的探测灵敏度，目前一般的光子计数器探测灵敏度优于10-17W，这是其他探测方法达不到的。 二、实验目的 1. 了解单光子计数工作原理。 2. 了解单光子计数的主要性能，掌握其基本操作方法。 3. 了解用单光计数系统检测微弱光信号的方法。 三、实验原理 1. 光子流量和光流强度 光是由光子组成的光子流，单个光子的能量ε与光波频率ν的关系是 ε=hν=hc/λ
式中c是真空中的光速，h是普朗克常数，λ是波长。 光子流量可用单位时间内通过的光子数R表示，光流强度是单位时间内通过的光能量，常用光功率P表示。单色光的光功率P与光子流量R的关系是 P=Rε 如果光源发出的是波长为630nm的近单色光，可以计算出一个光子的能量ε为 ε=3.13×10-19J 当光功率为P=10-16W时，这种近单色光的光子流量R为 R=3.19×102s-1 当光流强度小于10-16W时通常称为弱光，此时可见光的光子流量可降到一毫秒内不到一个光子。因此实验中要完成的将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。 2.测量弱光时光电倍增管的输出特性 光电倍增管在实验1.2中已作介绍，其结构原理如图1所示。当光子入射到光电倍增管的光阴极上时，光阴极吸收光子后将发射出一些光子，光阴极产生的光电子数与入射到阴极上的光子数之比成为量子效率。大多数材料的量子效率都在30%以下。在弱光下光电倍增管输出的光电子脉冲基本上不重叠，所以光子计数实际上是将光电子产生的脉冲逐个记录下来的一种探测技术。当然，从统计意义上说也是单光子的计数。 图1 盒栅式光电倍增管 如图1所示，光阴极上发射出的光电子，经聚焦和加速达到第一倍增极上，将在第一倍增极上“打出”几倍于入射电子数目的二次电子。这些二次电子被加速后打到第二倍增极上……接连经过十个倍增极的增殖作用后，电子数目最高可增加到108。最后由阳极收集所有的电子，在阳极回路中形成一个电脉冲信号，如图2所示，脉冲宽度t w与光电倍增管的
光名词中英文
美国颐光科技有限公司是一家集开发、制造和销售光学元器件、光谱仪器、光电设备和与光学系统有关的仪器设备为一体的高新技术企业，同时也是多家美国、德国、英国、意大利、韩国等光学产品公司的中国区代理。 产品涉及单色仪，分光光度计，各种光谱仪器，时间相关荧光光谱测量,皮秒激光和皮秒光源，CCD,ICCD,红外面阵探测器，高速雪崩二极管探测器，光电倍增管，光学元器件，光学镀膜产品，各种光源，太阳模拟器，电光源及LED测量系统等。 一、光谱仪器 我公司光谱仪器，信噪比高，性能稳定，技术先进，对光谱测试过程实现计算机控制自动化，过程简单方便，测试结果在行业内也会具有一定的权威性和说服力。 凭借测试系统的高性价比以及全面的技术服务，我公司光谱测试系统已在国内很多单位的实验室投入使用，包括清华大学等知名大学、国家权威计量单位、中国科学院等研究机构以及众多的相关企业，经过大量客户对我公司光谱测试系统的使用，证明了我公司的光谱仪器及光谱测试系统的成熟。 1. 宽带光源，具有光谱范围宽，性能稳定，易于集成系统等优点。 卤钨灯，主要应用于可见到红外波段光谱测试。 氘灯，主要应用于紫外波段光谱测试。 氙灯，主要应用于紫外到红外波段光谱测试。 红外灯，主要应用于红外波段光谱测试。 混合光源，采用钨灯和氘灯混合，光谱范围可以覆盖185nm-2500nm. 积分球光源，通过配备积分球，使光源输出更均匀。 我公司宽带光源 2. 窄带光源，具有精度高，杂散光低，易于集成系统等优点。 波长连续可调卤钨灯光源 波长连续可调氘灯光源 波长连续可调氙灯光源 波长连续可调混合光源 波长连续可调其他光源 光谱校准灯
3. 单色仪，较同类产品具有计算机控制自动化，精度高，准确度高，重复性高，杂散光低，性能稳定，耐用等优点，性价比高也是我公司单色仪产品的突出优点。 CM110微型单单色仪 CM112微型双单色仪 CM系列微型单色仪附件 CM系列单色仪标准光栅 DK240 1/4米单单色仪 DK242 1/4米双单色仪 DK480 1/2米单色仪 DK系列单色仪附件 DK系列单色仪标准光栅 4. 分光光度计，波长涉及紫外，可见及红外波段，较同类产品具有精度高，杂散光低，性能稳定等优点，与计算机的数据传输采用USB口，使用方便，测量简单。 SM200 OEM CCD分光光度计 SM240 CCD分光光度计 SM241 红外分光光度计 SM242 分光光度计 SM520 高分辨率分光光度计 SM301 硫化铅／硒化铅分光光度计 SM302 铟稼砷分光光度计 5. 光度计 Spectroradiometers PR-670 SpectraScan PR-655 SpectraScan PR-705/715 SpectraScan PR-650 SpectraScan PR-1980B SpectraScan Photometers PR-524 –LiteMate PR-525 ColorMate
单光子计数
单光子计数 物理学系刘录081120076 一、引言 通常在一些基本的科研领域，特别是某些前沿学科，诸如高分辨率光谱学、非线性光学、拉曼光谱学、表面物理学的研究方面，都会遇到极微弱的光信息(简称弱光）检测问题。所谓弱光是指光流强度比光电倍增管本身的热噪声(10-14W）还要低，以致用一般的直流检验方法已经很难从这种噪声中检测出信号。 单光子计数是目前测量弱光信号最灵敏和有效的实验手段，这种技术中，一般都采用光电倍增管作为光子到电子的变换器(近年来，也有微通道板和雪崩光电二极管），通过分辨率单个光子在光电倍增管中激发出来的光电子脉冲，利用脉冲高度甄别技术和数字计数技术，把光信号从热噪声中以数字话的方式提取出来。与模拟检测技术相比，单光子计数技术有如下的优点： 1.消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增极的热发射噪声的影响，提高了测量的 信噪比。 2.时间稳定性好。在单光子计数系统中，光电倍增管漂移、系统增益的变化，零点漂 移和其他因素对计数影响不大。 3.可输出数字信号，能够直接输出给计算机进行分析处理。 4.有比较宽的探测灵敏度，目前一般的光子计数器探测灵敏度优于10-17W，这是其他 探测方法达不到的。 二、实验目的 1.了解单光子计数工作原理。 2.了解单光子计数器的主要功能，掌握其基本操作方法。 3.了解用单光子计数系统检验微弱光信号的方法。 三、实验原理 1.光子流量和光流强度 光是有光子组成的光子流，单个光子的能量ε与光波频率ν的关系是 ε=hν=hc/λ (1） 式中c是真空中的光速，h是普朗克常数，λ是波长。 光子流量可用单位时间内通过的光子数R表示，光流强度是单位时间内通过的光能量，常用光功率P表示。单色光的光功率P与光子流量R的关系是： P=Rε (2） 如果光源发出的是波长为630nm的近单色光，可以计算出一个光子的能量ε为 Ε=3.13×10-19J 当光功率为10-16W时，这种近单色光的光子流量为 R=3.19×102s-1 当光流强度小于10-16W时通常称为弱光，此时可见光的光子流量可降到一毫秒内不到一个，
单光子计数实验
实验十七单光子计数实验 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。 通常的直流检测方法不能把淹没在噪声中的信号提取出来。微弱光检测的方法有：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率f0与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制。但这种方法存在中心频率不稳、带宽不能太窄、对待测信号缺乏跟踪能力等缺点。后来发展了锁相，它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。但是，当噪声与信号有同样频谱时就无能为力，另外它还受模拟积分电路漂移的影响，因此在弱光测量中受到一定的限制。单光子计数方法，是利用弱光照射下光电倍增管输出电流信号自然离散化的特征，采用了脉冲高度甄别技术和数字计数技术。与模拟检测技术相比有以下优点： 1、测量结果受光电倍增管的漂移、系统增益的变化及其它不稳定因素影响较小。 2、基本上消除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，提高了测量结果的信噪比。可望达到由光发射的统计涨落性质所限制的信噪比值。 3、有比较宽的线性动态范围。 4、光子计数输出是数字信号，适合与计算机接口作数字数据处理。 所以采用光子计数技术，可以把淹没在背景噪声中的微弱光信息提取出来。目前一般光子计数器的探测灵敏度优于10－17W，这是其它探测方法所不能比拟的。 一、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。 二、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E p可由下式决定： E p=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E p=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·E p （2－2） R=10个光子所以，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4 P=R E?＝104×3.96×10－19＝3.96×10－15W。 数，对应的光功率为 p 2、测量弱光时光电倍增管输出信号的特征
单光子计数数据处理
五．数据处理 （1）阈值方式（测量实验阈值） 无冷却时： （1）没有电流输入测量阈值：31，光子数38099 （2）有电流输入测量阈值：63，光子数135465 有冷却时： （3）没有电流输入测量阈值：31，光子数14695 （4）有电流输入测量阈值：63，光子数130945 得出结论：无论是否冷却，阈值的大小都受电流输入的影响，有电流输入比没电流输入时的阈值要大；而光子数则受冷却和电流的影响，有冷却时的光子数比没冷却的要少，有电流输入时的光子数要比没电流输入的光子数要多很多。 （2）不同光功率测得的光子数 设施采样间隔100ms，积分时间1000ms。
光子数与光功率的关系曲线如下所示： 由上图可知，在其他条件相同的情况下，单位时间内检测到的光子数随着光功率的增大而逐渐增加，二者基本成正比关系。 （3）不同积分时间测得的光子数 设置采样间隔500ms，积分时间500ms。得如下所示的图。
由表格对比可知：在其他条件相同的情况下，积分时间会影响所测量光子的数目。积分时间越长，所测得的光子数越多，二者呈线性关系。理论上可推导，当光子的出射流量基本不变时，积分时间越长，累积的光子数就越多，所测得的光子也就越多。而且积分时间越长，所测得数据的的波动小，稳定性也就更加好。 （4）不同采样间隔的光子数 设置采样间隔为500ms，积分时间为200ns。 近，采样间隔对光子数的影响不大。但采样间隔越大，所测得的数据波动性较小，出射光子较稳定。所以在测量时，应采用较大的采样间隔。 七．实验结论 通过实验，讨论了在不同温度，不同光功率，不同积分时间以及不同采样间隔情况下对实验所测得的光子数的影响。由数据处理总结如下： 1、在其他条件相同的情况下，给阴极冷却降温可以有效抑制出射光电子的数量。
TCSPC荧光寿命工作原理
Techcomp Ltd TCSPC 时间相关单光子计数技术基本原理说明 Dr. Hailin Qiu 2011-9-3
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最新3、单光子计数实验讲义汇总
3、单光子计数实验讲 义
单光子计数实验讲义（以课本为主） 一 实验目的 1. 掌握使用光子技术的方法对微弱信号进行检测及实验的操作过程; 2. 了解光子计数方法的基本原理光电倍增管（PMT ）的工作原理。 二 实验仪器 光源，PMT ，制冷器，外光路,计算机。 三 实验原理 在弱光信号检测中，当光强微弱到一定程度时，光的量子特征开始突出起来。例如：He-Ne 激光光源，其每个光子的能量为3.19 10-19焦耳。当光功率小于10-11瓦时，相当光子的发射率为108光子数/秒，即光子的发射周期约为10-8秒，刚好是PMT 输出脉冲可分辨的极限宽度（即PMT 响应时间）。这样，PMT 的输出呈现出脉冲序列的特点，可测得一个个不重叠的光子 能量脉冲。光 子计数器就是 利用光信号脉 冲和噪声脉冲 之间的差异，如幅度上的差异，通过一定的鉴别手段进行工作，从而达到提高信噪比的目的。单光子试验框图入图1所示。 （一）基本原理 单光子计数法利用在弱光下光电倍增管 输出信号自然离散化的特点，采用精密的脉 冲幅度甄别技术和数字计数技术，可把淹没 在背景噪声中的弱光信号提取出来。当弱光 图1 单光子实验框
照射到光电子阴极时，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。如图1所示，横坐标表示PMT输出的噪声与单光子的幅度电平（能量），纵坐标表示其幅度电平的分布概律。可见，光电子脉冲与噪声分布位置不同。由于信号脉冲增益相近，其幅度相当好的集中在一个特定的范围内，光阴机反射的电子形成的脉冲幅度较大，而噪声脉冲则比较分散，它在阳极上形成的脉冲幅度较低，因而出现了“单光电子峰”。用脉冲幅度鉴别器把幅度低于的脉冲抑制掉，只让幅度高于的脉冲通过就实现了单光子计数。 放大器的功能是把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大，应友谊顶的增益，上升时间≤3ns，这就要求放大大器的通频带宽达到100MHz，并且有较宽的线性动态范围和较低的热噪声，经过放大后的信号要便于脉冲幅度鉴别器的鉴别。 脉冲幅度甄别器的主要任务就是剔除噪声脉冲，把淹没在噪声信号中的光子信号筛选出来，以达到真正的光子计数的目的。在脉冲幅度甄别器里设置有一个连续可调的比较电压Vh。只有高于Vh的脉冲，才能通过甄别器得到输出。如果把甄别电平选在图2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。以上为一般模式（积分模式）下甄别器工作原理，图3—a为放大后信号脉冲，图3—b为甄别后输出脉冲。 图3—a 图3—b
单光子记数实验教案
单光子记数实验教案
单光子计数实验教案 所谓弱光是指光流强度比用作探测器的光电倍增管本身的热噪声 水平（14 10W）还低，用一般的直流检测方法已无法检出其信号的强度。单光子计数法利用在弱光照射下光电倍增管输出信号自然离散化的特点，采用精密的脉冲幅度甄别技术和数字计数技术，可把淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。 一、实验目的 本实验的目的是介绍这种弱光检测技术。通过实验使学生了解光子计数方法的基本原理、基本实验技术和弱光检测中的一些主要问题。 二、实验原理 1. 光子的概念 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。与一定的频率相对应,一个光子的能量 P E可有下式确定: p hc E h（1）式中ｃ＝81 310m s是真空中的光速；h=6.619 10J s J.S为普朗克常数。单色光的光功率用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量）的关系为＝ p P R E，所以，只要能测得光子的流量R，便可得到光流强度。 2. 光电倍增管及其在探测弱光时输出信号的特征
1) 光电倍增管（英文简称PMT）的结构与工作原理 一个典型的PMT的结构如图1所示，其供电原理如图2所示。 图1 光电倍增管结构 图2 光电倍增管的负高压供电及阳极电路当一个光子入射到光阴极K上，可能使光阴极上逸出几率 称为量子效率。这个光电子在加速电压作用下飞向第一倍增极打出 m个次级电 1 子。这些电子继续被更高的电压加速而飞向第二倍增极。若每一前级光电子打出 m个次级电子，如此下去，到达阳极时总电子数可由倍增管2
单光子计数试验
单光子计数实验讲义 一 实验目的 1. 掌握使用光子技术的方法对微弱信号进行检测及实验的操作过程; 2. 2.了解光子计数方法的基本原理光电倍增管（PMT ）的工作原理。 二 实验仪器 光源，PMT ，制冷器，外光路,计算机。 三 实验原理 在弱光信号检测中，当光强微弱到一定程度时，光的量子特征开始突出起来。例如：He-Ne 激光光源，其每个光子的能量为3.19 10-19焦耳。当光功率小于10-11瓦时，相当光子的发射率为108 光子数/秒，即光子的发射周期约为10-8秒，刚好是PMT 输出脉冲可分辨的极限宽度（即PMT 响应时间）。这样，PMT 的输出呈现出脉冲序列的特点，可测得一个个不重叠的光子能量脉冲。光子计数器就是利用光信号脉冲和噪声脉冲之间的差异，如幅度上的差异，通过一定的鉴别手段进行工作，从而达到提高信噪比的目的。单光子试验框图入图1所 示。 （一）基本原理 单光子计 数法利用在弱 光下光电倍增管输出信号自然离散化的特点，采用精密的脉冲幅度甄别技术和数字计数技术，可把淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。当弱光照射到光电子阴极时，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。如图1所示，横坐标表示PMT 输出的噪 声与单光子的幅度电平（能量），纵坐标表示 其幅度电平的分布概律。可见，光电子脉冲与 噪声分布位置不同。由于信号脉冲增益相近， 其幅度相当好的集中在一个特定的围，光阴机 反射的电子形成的脉冲幅度较大，而噪声脉冲 图1 单光子实验框图 图2 PMT 输出脉冲分布
[南京大学08级近代物理实验二(大四上学期)]单光子计数v1.1
单光子计数 1.实验目的 1.1.了解单光子计数工作原理。 1.2.了解单光子计数器的主要性能，掌握其基本操作方法。 1.3.了解用单光计数器系统结检测微弱光信号的方法。 2.实验仪器 2.1.实验系统 单光子计数实验系统由单光子计数器、外光路、制冷系统和电脑控制软件等组成，示意图如图3-1所示。 图3-1 单光子计数实验系统 2.2.光子计数器 光子计数器的组成如图3-2所示。以下分别叙述各部分功能。 图3-2 典型的光子计数系统 2.2.1.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)屏蔽电磁噪声：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)光电倍增管的供电部分减小噪声：通常的光电技术中，光电倍增管采用负高压供电，如图 3-7所示,即光阴极对地接负高压，外套接地。阳极输出端可直接接到放大器的输入端。此时，光阴极及各倍增极（特别是第一、第二倍增极）与外套之间存在电位差，漏电流能使玻璃管壁产生荧光，阴极也可能发生场致辐射，造成虚假计数，这对光子计数来讲是相当大的噪声。为了防止这种噪声的发生，可以在管壁与外套之间放置一金属屏蔽层，金属屏蔽层通过一个电阻接到光阴极上，使光阴极与屏蔽层等电位；另一种方法是改为正高压供电，即阳极接正高压，阴极和外套接地，但输出端需要加一个隔直流、耐高压、低噪声的电容，具体接法如图3-3所示。 图3-3 光电倍增管的正高压供电及阳极电路 3)驱除热噪声：为获得较高的稳定性，降低暗计数率，本系统配有降低光电倍增管工作温度 。 的致冷装置，并选用具有小面积光阴极的光电倍增管，阴极有效尺寸是=25mm 2.2.2.放大器 放大器的功能是把光电倍增管阳极回路输出的光电子脉冲和其它的噪声脉冲线性放大，因而放大器的设计本着有利于光电子脉冲的形成和传输。对放大器的主要要求有：有一定的增益；上升时间t r≤3ns，即放大器的通频带宽达100MHz；有较宽的线性动态范围及噪声系数要低。 图3-4中放大器的输出脉冲放大器的增益可按如下数据估算：光电倍增管阳极回路输出的单光电子脉冲的高度为V a，单个光电子的电量e=1.6×10-19C，光电倍增管的增益G=106，光电倍增管输出的光电子脉冲宽度t w＝10－20ns量级。按10ns脉冲计算，阳极电流脉冲幅度 I a≈1.6×10-5A=16μA 设阳极负载电阻R L＝50Ω，分布电容C=20PF 则输出脉冲电压波形不会畸变，其峰值为： V a＝I a R L≈8.0×10－4V=0.8mV 当然，实际上由于各倍增极的倍增系数遵从泊松分布的统计规律，输出脉冲的高度也遵从泊松分布。上述计算值只是一个光子引起的平均脉冲峰值的期望值一般的脉冲高度甄别器的甄别电平在几十毫伏到几伏内连续可调，所以要求放大器的增益大于100倍即可。 图3-4 放大器的输出脉冲
单光子计数实验-绝对零度教材
实验07 单光子计数实验 光子计数技术，是检测极微弱光的有力手段，是通过分辨单个光子在检测器（光电倍 增管）中激发出来的光电子脉冲，把光信号从热噪声中以数字化的方式提取出来。这种系统具有良好的长时间稳定性和很高的探测灵敏度。目前，光子技术系统广泛应用于科技领域中的极微弱光学现象的研究和某些工业部分中的分析测量工作，如在天文测光、大气测污、分子生物学、超高分辨率光谱学、非线性光学等现代科学技术领域中，都涉及极微弱光信息的检测问题。 【实验目的】 1. 学习光子计数技术的原理，掌握光子计数系统中主要仪器的基本操作。 2. 掌握用光子计数系统检测微弱光信号的方法，了解弱光检测中的一些特殊问题。 【仪器用具】 SGD-2型单光子计数系统、示波器、计算机。 【实验原理】 （一）光子流量和光流强度 光是由光子组成的光子流，光子是一种没有静止质量，但有能量（动量）的粒子。一 个频率为v （波长为λ）的光子，其能量为 λ/hc hv E p == （1） 式中普朗克常量s J h ??=-341063.6，光速s m c /100.38?=。以波长为m 7103.6-?=λ的氦-氖激光为例，单个光子能量为J E p 19101.3-?=。 将单位时间内通过某一截面的光子数R 称为光子流量。并进一步将单位时间内通过该 截面的光能量定义为光流强度，用光功率P 表示。一束单色光的光功率功率等于光子流量乘以光子能量，即
p E R P ?= （2） 如果设法测出入射光子流量R ，就可以计算出相应的入射光功率P 。 有了单光子能量的概念，就对微弱光的量级有了明显的认识，例如对于氦-氖激光器而 言，1mW 的光功率并不是弱光范畴，因为光功率P =1mW ，其光子流量为1 15102.3-?=s R ；所以，1mW 的氦-氖激光，每秒有1015量级的光子，从光子计数的角度看，如此大量的光子数属于强光。对于光子流量值为1s -1的氦-氖激光，其功率是W 19101.3-?；当R=10000s -1时，则光功率为W 15101.3-?；当光功率为10-16W 时，其光子流量为12102.3-?s 。 当光流强度（光功率）小于10-16W 时通常称为弱光，此时可见光的光子流量可降到一 毫秒内不到一个光子。本实验中要完成的将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。 （二）单光子计数工作原理 1．光子计数器工作原理 当光强微弱到一定程度时，光的量子特征开始突出起来，例如He-Ne 激光光源，其每 个光子的能量为3.19?10-19J 。当光功率小于10-11W 时，相当光子的发射率为108光子数/ 秒，即光子的发射周期约为10-8秒，刚好是光电倍增管（简称PMT ）输出脉冲可分辨的极限宽度（即PMT 响应时间）。这样，PMT 的输出呈现出脉冲序列的特点，可测得一个个不重叠的光子能量脉冲。光子计数器就是利用光信号脉冲和噪声脉冲之间的差异，如幅度上的差异，通过一定的鉴别手段进行工作，从而达到提高信噪比的目的，图1是光子计数器的原理方框图。 图1 单光子计数器框图 放大器的功能是把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大，经过放大后的信号要便于脉冲幅 度鉴别器的鉴别。由于光子信号的半宽度约为10~30ns ，因此放大器需要足够的带宽，常