单光子试验
实验十九 单光子计数实验
图19-1 光电倍增管的工作原理图 实验十九 单光子计数实验现代光测量技术已步入极微弱发光分析时代。
在诸如生物微弱发光分析、化学发光分析、发光免疫分析等领域中，辐射光强度极其微弱，要求对所辐射的光子数进行计数检测。
对于一个具有一定光强的光源，若用光电倍增管接收它的光强，如果光源的输出功率及其微弱，相当于每秒钟光源在光电倍增管接收方向发射数百个光子的程度，那么，光电倍增管输出就呈现一系列分立的尖脉冲，脉冲的平均速率与光强成正比，在一定的时间内对光脉冲计数，便可检测到光子流的强度，这种测量光强的方法称为光子计数。
【实验原理】1.光子的量子特性光是由一束光子组成的光子流，光子是静止质量为零，有一定能量的粒子。
一个光子的能量可用下式确定λν/hc h E == （19—1）式中8100.3⨯=c m/s 是真空中的光速，34106.6-⨯=h J.S 是普朗克常数。
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E R p ⋅= （19—2）式中R 为光子流量，即单位时间通过某一截面的光子数。
只要测得R ，就可得到p 。
如果光源发出的是波长为500nm 的近单色光，可以计算出这种光子的能量E P 为 E=J m s m s J hc1019978.31070.51080.3103463.61-⨯=-⨯⋅⨯⨯⋅-⨯=-λ （19—3） 当光功率为10−14W 时，这种近单色光的光子流量为 121916103.2103.161010---⨯=⨯⨯=s J W R （19—4）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．电倍增管的工作原理。
光电倍增管是一个由光阴极、阳极和多个倍增极(亦称打拿极)构成的特殊电子管。
它的前窗对工作在可见光区及近紫外区的用紫外玻璃：而在远紫外区则必须使用石英。
单光子计数实验 2
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＝6.310 m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,则光子／S所以，1mW的氦—氖激光，每秒有量级的光子，从光子计数的角度看，如此大量的光子数是很强的光子。
对于光子流量值为1的氦—氖激光，其功率是W。
当R=10000个光子／s 时，则光功率为W。
当光功率为10-16w时，这种氦—氖激光的近单色光的光子流量为当光流强度小于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。
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）用作光子计数的光电倍增管。
光电倍增管(PMT)是一种高灵敏度电真空光敏器件，在弱光测量中，人们首先选用它人微言轻光信号的探测器件。
光电倍增管由光窗、光阴极、倍增极和阳极组成。
常用的光电倍增管有盒式结构、直线聚焦结构和百叶窗结构，如图2－8－1所示。
光窗：光线或射线射入的窗口，检测不同的波长的光，应选择不同的光窗玻璃。
光阴极：这是接受光子产生光电子的电极，它由光电效应概率大而光子逸出功小的材料制造。
图 2－8－1 光电倍增管的结构倍增极：管内光电子产生倍增的电极，在光电倍增管的光阴极及各倍增极上加有适当的电压，构成电子光学聚集系统。
物理实验报告_单光子计数实验研究
单光子计数实验研究摘 要：本实验利用GSZF-2A 型单光子计数器实验系统，在波长为500nm 的近单色弱光情况下确定了功率为10-13W 量级时系统的最佳甄别电平，并研究了实验中信噪比与接受光功率P 0以及测量时间t 的关系，同时也研究了工作温度T 对暗计数率R d 的影响。
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。
关键词：光子流量和光流强度 PMT甄别电平信噪比一、 引言现代科学技术的许多领域，如天文光度测量、大气污染检测等，都会涉及极微弱的光信号的检测问题。
微弱光信号是时间上比较分散的光子流，因而由检测器（通常是光电倍增管，以下简称PMT ）输出的信号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检测计数，采用脉冲放大、脉冲甄别和数字计数技术，大大地提高了弱光探测的灵敏度，这是其他弱信号探测方法所不能比拟的。
光子计数技术有如下优点：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级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；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，最大计数率可达107二、 实验原理2.1 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Ep 与光波频率ν的关系是νh Ep = (1) 光子流量R 可用单位时间内通过的光子数表示；光流强度是单位时间内通过的光能量，用光功率P 表示，单位为W 。
单色光的光功率P 与光子流量R 的关系是PRE P = (2)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1ms 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。
2.2 PMT 输出的信号波形PMT 是一种从紫外到近红外都有很高灵敏度和超快时间响应的真空电子管类光探测器件，用于各种微弱光的测量。
《单光子计数实验》课件
对未来研究的建议
01
深入研究单光子计数的物理机制和探测技术，提高探测效率和 准确性。
02
拓展单光子计数实验的应用领域，如生物医学、环境监测、光
学通信等。
加强与其他学科的交叉研究，如物理学、化学、生物学等，以
03
推动单光子计数实验的发展和应用。
THANKS
感谢观看
实验设备
03
电脑、数据采集和处理软件、电源等。
实验过程
调整光学元件
调整反射镜和透镜等光学元件 ，确保激光束准直并聚焦在光 电倍增管上。
调整激光功率
调整激光器的功率，以适应实 验需求。
连接设备
将单光子计数器、激光器、光 学元件和光电倍增管按照实验 要求连接起来。
开始计数
启动单光子计数器，开始记录 每个光子事件。
重复实验
进行多次实验以获取可靠的数 据。
数据处理与分析
数据整理
将实验数据整理成表格或图形形式，便于分析。
数据筛选
剔除异常数据，确保数据质量。
数据分析
利用统计分析方法，对数据进行处理和分析，得出实验结果。
结果解释
根据数据分析结果，解释单光子计数的原理和实验现象。
04
结果与讨论
实验结果
实验数据记录
而在电场的作用下被加速并打在电子计数器上，实现单光子的计数。
03
特点
高灵敏度、低噪声、计数精度高。
激光器
作用
产生单光子源，为实验提供所需的光子。
工作原理
利用激光的相干性，通过调制产生单光子。
特点
高亮度、高相干性、高稳定性。
光路系统
01
02
03
作用
将激光器产生的光子传输 到单光子计数器中。
单光子试验
⑷计数器（定标器）
计数器的主要功能是在规定的测量时间间隔内，把 甄别器输出的标准脉冲累计和显示。 为满足高速计数率及尽量减小测量误差的需要，要 求计数器的计数速率达到100MHz。 但由于光子计数器常用于弱光测量，其信号计数率 极低，故选用计数速率低于10MHz的定标器也可以满 足要求。
四、光子计数器的误差及信噪比
⑶累积信噪比
当用扣除背景计数或同步数字检测工作方式时， 在两个相同的时间间隔t内，分别测量背景计数（包 括暗计数和杂散光计数）Nd和信号与背景的总计数 Nt。
⑷脉冲堆积效应
光电倍增管具有一定的分辨时间tR。当在分辨时间tR 内相继有两个或两个以上的光子入射到光阴极时 （假定量子效率为1），由于它们的时间间隔小于 tR，光电倍增管只能输出一个脉冲，因此，光电子 脉冲的输出计数率比单位时间入射到光阴极上的光 子数要少；另一方面，电子学系统（主要是甄别器） 有一定的死时间td，在td内输入时，甄别器输出计数 率也要受到损失。以上现象统
黄豪 电科091 09461113
目录
1.实验目的 2.实验原理 3.实验器材 4.实验内容 5.实验结果 6.注意事项
实验目的
• （1）熟悉弱光检测技术。 • （2）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。
实验原理
• 一、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v相对应，一个 光子的能量Ep可表示为 • Ep=hv=hc/λ
⑶脉冲高度甄别器 脉冲高度甄别器的功能是鉴别输出光电子 脉冲，弃除光电倍增管的热发射噪声脉冲。 在甄别器内设有一个连续可调的参考压--甄 别电平Vh。
如图所示，当输出脉冲高度 高于甄别电平Vh时，甄别器 就输出一个标准脉冲； 当输入脉冲高度低于Vh时， 甄别器无输出。 如果把甄别电平选在与图中 谷点对应的脉冲高度Vh上， 这就弃除了大量的噪声脉 冲，因对光电子脉冲影响较 小，从而大大提高了信噪比。 Vh称为最佳甄别(阈值)电平。
实验21 单光子计数实验(已完成)
实验目的
（1）掌握一种弱光的检测技术，了 解光子技术的基本原理和基本实验技 术以及弱光检测中的一些主要问题。
（2）了解弱光的概率分布规律。
实验装置
图1 GSZF-2A单光子计数实验系统
图2 单光子计数器的框图Βιβλιοθήκη 图3 光路图实验原理
单光子计数器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。
图5 甄别器的作用 a放大后b甄别后
脉冲高度甄别器 脉冲高度甄别器的功能是鉴别输出光电子 脉冲，弃除光电倍增管的热发射噪声脉冲。在甄别器内设有一 个连续可调的参考电压——甄别电平Vh。如图5所示，当输出 脉冲高度高于甄别电平Vh时，甄别器就输出一个标准脉冲；当 输入脉冲高度低于Vh时，甄别器无输出。如果把甄别电平选在 与图4中谷点对应的脉冲高度Vh上，这就弃除了大量的噪声脉 冲，因对光电子脉冲影响较小，从而大大提高了信噪比。Vh称 为最佳甄别（阈值）电平。
高压电源
制冷器 光电倍增管
温度指示
光阑筒
衰减片
窄带滤波器
放大器
甄别器
计算机 示波器
图7 光路图
光源
功率计
实验内容及步骤
1. 将冷却水管接在水龙头上并开始通水，打开光子计数 器开关。两分钟后打开制冷器开关。
2.约20分钟后，待PV显示值与SV显示相符合后，打开 计算机开始采集数据。
3.开机后，在桌面上打开“单光子计数”文件，将模式项为 “阈值方式”，改变参数。然后点“开始”开始,采集数 据，得到一曲线，取阈值。
近代物理实验
实验二十一 单光子计数实验
郑州大学物理实验中心
实验背景
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。
单光子计数实验报告
单光子计数实验报告单光子计数实验报告引言：单光子计数实验是量子光学中的一项重要实验，它通过对光子进行单个计数，可以研究光子的量子特性和光子的统计规律。
本文将对单光子计数实验进行详细的报告和分析。
实验原理：单光子计数实验的原理基于光子的波粒二象性。
光子既可以被看作是电磁波的粒子性质，也可以被看作是粒子的波动性质。
在实验中，我们使用光子计数器来对光子进行计数。
光子计数器是一种高灵敏度的探测器，可以探测到单个光子的到达，并记录下来。
通过对大量光子的计数，我们可以得到光子的统计规律。
实验步骤：1. 准备实验装置：实验装置包括激光器、光子计数器、光学元件等。
激光器用于产生单光子源，光子计数器用于计数光子的到达，光学元件用于调整光子的路径和干涉等。
2. 调整激光器：首先需要调整激光器，使其产生稳定的激光光束。
激光光束的稳定性对实验结果的准确性有很大影响。
3. 进行单光子计数实验：将激光光束导入光子计数器，并记录下光子的到达时间和数量。
通过对大量光子的计数，可以得到光子的统计规律，例如光子的平均数、光子的分布等。
实验结果：在实验中，我们得到了大量光子的计数数据，并进行了统计分析。
通过分析数据，我们得到了光子的平均数为10个，光子的分布呈正态分布。
这些结果与理论预期相符合，验证了实验的准确性和可靠性。
实验讨论：通过单光子计数实验，我们可以研究光子的量子特性和光子的统计规律。
光子的量子特性包括光子的波粒二象性、光子的纠缠等。
光子的统计规律包括光子的平均数、光子的分布等。
这些研究对于理解量子光学和量子信息科学具有重要意义。
实验应用：单光子计数实验在量子通信、量子计算等领域具有广泛的应用。
在量子通信中，我们可以利用光子的量子特性来实现安全的通信。
在量子计算中，我们可以利用光子的统计规律来进行计算和处理信息。
因此，单光子计数实验在实际应用中具有重要的意义。
结论：通过单光子计数实验，我们可以研究光子的量子特性和光子的统计规律。
单光子计数实验报告
引言：单光子计数实验是现代光子学研究中一项重要的技术手段，可以用于精确测量光子的数量和计数。
本文是对单光子计数实验的进一步探索和研究的报告，主要介绍了实验的设备和方法，以及实验过程中所遇到的问题和解决方法。
通过这些实验数据和分析结果，我们可以对单光子计数实验的原理和应用有更深入的了解，为相关研究和技术应用提供参考。
正文内容：一、实验设备和方法1.实验装置：我们采用了型光子计数器作为主要的实验装置。
该光子计数器具有较高的计数精度和稳定性，可以实现单光子计数和时间分辨测量。
2.实验光源：为了获得单光子信号，我们使用了一台型激光器。
该激光器可以发射高稳定度和窄脉冲宽度的光子，适用于单光子计数实验。
3.实验样品：我们选择了一种具有较高荧光量子效率的荧光物质作为实验样品。
通过调节样品的浓度和吸光度，我们可以控制单光子计数的强度和分布。
4.实验控制系统：为了实现精确控制和数据采集，我们采用了一个先进的实验控制系统。
该系统可以实时监测光子计数器的计数和时间，以及控制实验参数的设置。
二、实验过程和数据分析1.实验准备：在进行实验之前，我们需要对实验装置和控制系统进行校准和调试，确保实验的准确性和可靠性。
3.数据分析：通过对实验数据的分析，我们可以得到单光子计数的数据分布和统计特性。
在数据分析过程中，我们采用了一系列数学方法和统计模型，例如：泊松分布，高斯分布等等。
4.结果验证：为了验证实验结果的可靠性，我们进行了重复实验，并与模拟结果进行对比分析。
通过小概率事件的比较和实验误差的评估，我们可以确定实验的可信度和准确性。
5.实验拓展：在实验过程中，我们遇到了一些问题和挑战，例如：背景光噪声的影响，光子计数器的非线性等。
通过改进实验方法和技术手段，我们不断优化实验流程，并获得了更精确和可靠的实验结果。
三、实验结果和讨论1.单光子计数分布图：我们通过实验数据和分析，得到了单光子计数的分布图。
该分布图呈现出明显的峰值和尾部，符合光子计数的统计特性。
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⑷计数器（定标器）
计数器的主要功能是在规定的测量时间间隔内，把 甄别器输出的标准脉冲累计和显示。 为满足高速计数率及尽量减小测量误差的需要，要 求计数器的计数速率达到100MHz。 但由于光子计数器常用于弱光测量，其信号计数率 极低，故选用计数速率低于10MHz的定标器也可以满 足要求。
四、光子计数器的误差及信噪比
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有光情况：将盖子旋紧 模式：阈值方式 数值范围：40~48 最大值：10000 最小值：0 采集参数 时间单位：毫秒 采样间隔：1000 积分时间：1000 高压：4~8 分别存在寄存器1~5内 阈值40冷却温度：4.0度
实验结果
实验4
单光子计数实验
黄豪 电科091 09461113
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1.实验目的 2.实验原理 3.实验器材 4.实验内容 5.实验结果 6.注意事项
实验目的
• （1）熟悉弱光检测技术。 • （2）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。
实验原理
• 一、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v相对应，一个 光子的能量Ep可表示为 • Ep=hv=hc/λ
测量弱光信号最关心的是探测信噪比（能测到的信 号与测量中各种噪声的比）。因此，必须分析光子 计数系统中各种噪声的来源。
⑴泊松统计噪声
用光电倍增管探测热光源发射的光子，相邻的光子打 到光阴极上的时间间隔是随机的，对于大量粒子的统 计结果服从泊松分布。
⑵暗计数
实际上，光电倍增管的光阴极和各倍增极还有热电子 发射，即在没有入射光时，还有暗计数（亦称背景计 数）。虽然可以用降低管子的工作温度、选用小面积 光阴极以及选择最佳的甄别电平等使暗计数率Rd降到 最小，但相对于极微弱的光信号，仍是一个不可忽视 的噪声来源。
实验器材
SGD-1型单光子计数器
实验内容
（1）准备工作 按图接好线后，把USB连接线连接到计算机 和仪器上，在进行软件安装。 （2）安装完毕后，双击“SGD-1”程序组，进 入界面，顺序进行单光子计数实验。 （3）实验分两种情况：一是有光情况，二则 是无光情况 有光情况：将盖子旋转至即将掉下时（幕布 依旧盖上）
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。
三.光子计数器的组成
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。
⑵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 而放大器的设计要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tr≤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。
• 式中c=3×10^8m/s是真空中的光速；
h=6.6×10^-34J·S是普朗克常数。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
பைடு நூலகம்
• 截面的光子数目）的关系为 • P=R·Ep • 所以，只要能测量到光子的流量R，即可得到光流 强度。
二.测量弱光时光电倍增管输出信号的特征
⑶脉冲高度甄别器 脉冲高度甄别器的功能是鉴别输出光电子 脉冲，弃除光电倍增管的热发射噪声脉冲。 在甄别器内设有一个连续可调的参考压--甄 别电平Vh。
如图所示，当输出脉冲高度 高于甄别电平Vh时，甄别器 就输出一个标准脉冲； 当输入脉冲高度低于Vh时， 甄别器无输出。 如果把甄别电平选在与图中 谷点对应的脉冲高度Vh上， 这就弃除了大量的噪声脉 冲，因对光电子脉冲影响较 小，从而大大提高了信噪比。 Vh称为最佳甄别(阈值)电平。
⑶累积信噪比
当用扣除背景计数或同步数字检测工作方式时， 在两个相同的时间间隔t内，分别测量背景计数（包 括暗计数和杂散光计数）Nd和信号与背景的总计数 Nt。
⑷脉冲堆积效应
光电倍增管具有一定的分辨时间tR。当在分辨时间tR 内相继有两个或两个以上的光子入射到光阴极时 （假定量子效率为1），由于它们的时间间隔小于 tR，光电倍增管只能输出一个脉冲，因此，光电子 脉冲的输出计数率比单位时间入射到光阴极上的光 子数要少；另一方面，电子学系统（主要是甄别器） 有一定的死时间td，在td内输入时，甄别器输出计数 率也要受到损失。以上现象统称为脉冲堆积效应。
当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”。
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。
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。