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。

当光电倍增管光阴极产生的光电子打到倍增极上产生二次电子时，这些电子被聚焦到下一级倍增极上又产生二次电子，因此使管内电子数目倍增。

倍增极的数目有8～13个，一般电子放大倍数达。

阳极：这是最后收集电子的电极，经过多次倍增后的电子被阳极收集，形成输出信号，阳极与末级倍增极间要求有最小的电容。

光电倍增管有两种高压偏置方式：一种是阴极接地，阳极接一个高的正电压；另一种是阳极经过一个适当的负载电阻接地，而使阴极具有一个高的负电压，如图2－8－2（a）所示。

通常采用阳极接地的方法，如图2－8－2（b）所示，其优点在于可直接将阳极连至一个DC测量系统或光子计数系统。

图2－8－2光电倍增管的高压偏置用光电倍增管监测微弱光时，若光微弱到其光子一个个地到达，则光电倍增管的输出将是一个个分离的电脉冲，假定光阴极的量子效率为1，那么每个输出的电脉冲相当于一个光子入射到光阴极上，设每个倍增极约产生4个次级电子。

当一个光子在光阴极上产生一个电子时，经过逐级倍增，在阳极可得到大约个电子。

这些电子的总电荷量库仑。

因为它们是几乎全部同时到达阳极，对阳极输出电容进行瞬时充电，所以在阳极输出一个电脉冲，如图10.4.3所示，阳极电容一般为10PF~100PF,负载电阻R为50，阳极输出脉冲电压|V|=Q/C=1~10mV。

脉冲宽度在10~30ns，由此可见，如果已知光阴阳极在入射光波长上的量子效率，测得阳极输出的脉冲数，则可以用脉冲计数的方法来推算出入射光子流的强度。

图2－8－3光电倍增管的阳极波形然而，光电倍增管由于光阴极和倍增极的热电子发射，也会在阳极输出一个电脉冲，它与入射光的存在与否无关，所以称它为暗电流脉冲，即是光电倍增管中的热噪声，光阴极造成的热噪声脉冲与单光子脉冲幅度相同，而各倍增极造成的大量的热噪声脉冲幅度一般均多于单光子幅度。

图2－8－4是这两种脉冲幅度的概率分布曲线。

由此提供了一个去除噪声脉冲的简单方法，即将光电倍增管的输出脉冲通过一个幅度甄别器，调节甄别器阀值h，使h>h，则可以甄别掉大部分噪声脉冲，而对信号脉冲来说，损失却是很小的，从而可以大大提高监测信号的信噪比。

图2－8－4光电子脉冲与热电子脉冲的幅度分布曲线用于光子技术的光电倍增管要求光阴极的量子效率要高而稳，响应速度要快，管子热噪声要小，并且要求有明显的单光子峰。

图2－8－5为光电倍增管阳极回路输出的脉冲计数随脉冲幅度大小的分布，它是选择光电倍增管的重要依据。

若定义，，则峰谷比越大或分辨率越小的光电倍增管，越适合用作弱光检测，峰谷比与光电倍增管工作温度有关，温度越低，峰谷比越大，通常要求光电倍增管处于低温下工作，以降低热噪声。

图2－8－5光电倍增管的脉冲幅度分布（微分）曲线（三）光子计数器1．光子计数器的原理。

图2－8－6是光子计数器的原理方框图：图2－8－6单光子计数器框图前面我们已经讨论了适用于光子计数器的光电倍增管，希望其具有最小的暗计数率以及有明显的单光子峰。

这样，光电倍增管输出的电脉冲经过前置放大后，再通过幅度甄别器弃除大部分的热电子噪声脉冲，从而选出光电子脉冲，甄别器可以具有第一甄别电平和第二甄别电平，两者相差V。

当V为允许脉冲通过的阀值时，这种方式称之为窗式工作方式，如图2－8－7所示：图2－8－7根据脉冲幅度分布设置甄别电平V和V根据光电倍增管的脉冲幅度分布曲线设定，分别抑制脉冲幅度低的暗噪声与脉冲幅度高的由宇宙射线和天电干扰等造成的外来干扰脉冲，经过甄别器鉴别的输出信号是一个幅度与宽度标准化的脉冲，最后通过计数器或定标器记录，可测得排除大部分噪声的信号光子数，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，常用的放大器带宽为100~200MHz，上升及下降时间要求小于3ns，同时放大器还要求有好的线性度（<1%）和良好的增益稳定性，而放大倍数仅需10~200倍即可，计数器要求有较久贩计数率，一般为100MHz，和有高的计数容量（数据通道）。

2．脉冲堆积效应，由于光电倍增管的响应时间不为零，光电子从光阴极到阳极存在上升时间t，如果光子速率太大，以至光阴极发射的光电子间隔小于光电倍增管的上升时间t时，阳极回路的输出脉冲将发生重迭，使光电倍增管只能输出一个脉冲，如图2－8－8所示。

图2－8－8光电倍增管的脉冲堆积效应另一方面，甄别器的响应时间也不为零，一个甄别器在每个所接受的输出脉冲之后存在一个死时间t，即在t内不接受输出脉冲，如果甄别器在高计数率检测时，输出脉冲计数器将要受到损失。

以上两种现象总称之为脉冲“堆积效应”。

他造成测量的“堆积误差”。

脉冲堆积效应的存在限制了光子计数器最高计数率。

如果t=10ns，采用高速光电倍增管后可测的光子流量为光子/s，对应于W的入射光功率。

3．光子计数器的信噪比，在弱光的条件下，光子到达光阴极具有的统计分布特征近似地服从泊松分布，也就是说，对于光子流量为R的光子流，在时间间隔t内，有n个光子到达探测器的概率是（2－8－3）由柏松分布的标准偏差得到：，这个偏差值反映光信号的涨落，也就是光源的噪声，常称为光子噪声。

因此，被测信号本征信噪比SNRp为（2－8－4）是被测量的信号的极限信噪比.在光子计数系统中，总存在热电子发射等造成的俺计数噪声。

虽然甄别器可以弃除大部分暗电流脉冲，但总还剩余一些，设其暗计数率为R，光阴极的量子效率为，那么测量结果的信噪比（2－8－5）R为入射光子的平均流量，t为测量时间间隔，当SNR=1时，对应的接收信号功率即为仪器的探测灵敏度。

根据信噪比的公式，光电倍增管的热电子发射的内部光子，例子反馈等产生的暗计数率，是决定系统测量动态范围的下限的主要因素。

（三）实验装置本试验采用天津港东公司生产的GSZF-2A型单光子计数实验系统，包括单光子计数器、制冷系统、GDB-53LA型光电倍增管、外光路、计算机、及数据采集系统等。

系统采用了脉冲高度甄别技术和数字计数技术。

具有较高的先行动态范围。

输出的数字信号便于计算机处理。

主要技术指标：探测器：光电倍增管GDB-53LA型制冷系统：工作温度约低于室温20度。

数据采集系统：接口电路一套工作软件一套供电系统一套计算机：主机赛扬800内存64MB硬盘10GB光驱40X显示器15SVGA,0.25mm外光路：导轨2000mm一套溴钨灯光源一套窄带滤光片（500nm）一块衰减滤光片四块带磁力表座支架四个光谱采集范围：360-650nm积分时间：0～30min(1ms/档，可调)最大计数：≥107域值电压：0～2。

56V（10mV/档，可调）暗技术：≤2/s(200C)1．仪器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，采用脉冲高度甄别数字计数将淹没在背景噪声中的弱信号提取出来。

当光照射到光阴极时，每个入射光子以一定的概率（即量子效应）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。

此外还有光阴板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2－8－5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。