SGD-2型单光子计数实验系统使用说明书
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2.3光电倍增管PMT（Photo Multiplier Tub）2.3.1光电倍增管的结构和工作原理光电倍增管(PMT)是一种高灵敏度电真空探测器件，利用外光电效应把微弱的光输入转化为光电子, 并经过多级二次电子发射，使光电子获得倍增，实现微弱光的探测。
《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。
单光子计数实验的结果分析
单光子计数实验的结果分析田澍【摘要】In this article,it described the principle of the single photon count experiment and the function of the PMT,photon counter device and other devices. The curves of the current and detected photon numbers,current and SNR was drawn. Experimental results were also analyzed.% 阐述了单光子计数实验原理和光电倍增管、光子计数器等器件的功能，绘制了通过500nm二极管的电流与测量光子数、信噪比的关系曲线，并对实验结果进行了分析。
【期刊名称】《西昌学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2013(000)001【总页数】3页(P48-50)【关键词】单光子计数;微弱光;信噪比【作者】田澍【作者单位】吕梁学院物理系，山西离石 033000【正文语种】中文【中图分类】TN911.23光子计数也叫做光电子计数，是探测微弱光的一种新技术，该技术利用了弱光照射下光电倍增管（PMT）输出的电流信号存在自然离散的特点，采用脉冲高度甄别技术和数字计数技术将淹没在背景噪声中的信号提取出来。
光子计数技术与其他微弱光检测方法（锁频放大技术、锁相放大技术）相比有以下优点：（1）测量结果受PMT的漂移、系统增益的变化及其他不稳定因素影响较小；（2）提高了测量结果信噪比；（3）输出的是数字信号，适合于计算机接口作数字数据处理；（4）有较宽的线性动态范围。
目前，光子计数技术已被广泛应用于医学、生物学、物理学、天文学等领域里微弱光的探测研究中[1-2]。
1 实验原理1.1 光子流量光是由光子组成的，具有粒子性。
光子的静止质量为零，有一定的能量，光子的能量Ep与频率ν的关系为[3]单位时间内通过某一截面的光子数R称为光子流量，单位时间内通过该截面的光能量为光流强度，用光功率P表示，则当光功率为10-16W时，对于633nm的He-Ne激光器，有[4]此时可见光的光子流量为一毫秒内不到一个光子，便于对单个光子进行检测。
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-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115102.3-⨯=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 。
单光子计数实验
甄别器中设有一个连续可调的阈电平，即甄别电平。只有当输入脉冲的幅度大于甄别电平时，甄别器才输出一个有一定幅度和形状的标准脉冲。
当有一脉冲触发了甄别器中的线路以后，在它恢复原ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ以前甄别器不能接受后续脉冲，这段时间称为死时间。
（4）计数器
计数器的作用是将甄别器输出的脉冲累计起来并予以显示。
4.光子计数器的组成
光子计数器的原理方框图如图3所示，图中ULD和LLD分别代表甄别器的上下阈值，即甄别电平。
图3典型的光子计数系统
（1）PMT
用于光子计数的PMT必须具有适合于实验中工作波段的光谱响应，要有适当的阴极面积，量子效率高，暗计数率低，时间响应快，并且阴极稳定性高。
（2）放大器
放大器的作用是将PMT阳极回路输出的光电子脉冲（连同其他噪声脉冲）线性地放大，放大器的增益可根据单光电子脉冲的高度和甄别器甄别电平的范围来选定。
用示波器观察光电倍增管阳极输出脉冲和甄别器输出脉冲的波形。
3.确定甄别器的阈值
测量PMT输出脉冲高度随电压的分布，微分曲线，在最小计数率电平附近更改阈值，计算信噪比，确定最佳甄别电平。
4.研究信噪比与测量时间和入射光功率的关系
将阈值设为最佳甄别电平。保持入射光功率，改变测量时间，研究信噪比与测量时间的关系；设定测量时间，改变入射光功率，信噪比与入射光功率的关系。
（4）光子计数系统的信噪比
在光子计数系统中，存在着光阴极和倍增极的热发射等引起的暗计数 。当用分别测量暗计数平均值 和总计数平均值 的方法测量信号的计数时，测量结果的信噪比为
三、实验内容
1.实验装置
实验装置采用天津港东GSZF-2A型单光子计数实验系统，示意图如图4所示。
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。
单光子计数
5. 注意事项
在开制冷器前，一定先通冷却水。 1、 在开制冷器前，一定先通冷却水。关闭制冷 器后才能切断水源，否则将发生严重事故。 器后才能切断水源，否则将发生严重事故。 保存曲线时，若想将不能曲线比较， 2、 保存曲线时，若想将不能曲线比较，应将这些曲 线存在不同寄存器中，否则不能同时打开。 线存在不同寄存器中，否则不能同时打开。 测量时，不可打开光路的上盖。 3、 测量时，不可打开光路的上盖。以避免杂散光的影 响。
单光子计数
山西大学物理实验中心
1. 实验目的
2. 实验原理
3. 实验装置 4. 实验内容及步骤 内容及步骤 5. 注意事项
1.实验目的
掌握一种弱光检测技术 了解光子计数方法的基本原理、基本实验技术 了解光子计数方法的基本原理、 和弱光检测中的一些主要问题。 和弱光检测中的一些主要问题。
2. 实验原理
2.1 光子的量子特性
光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为零， 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。 有一定能量的粒子。一个光子的能量可用下式确定
E = hν0 = hc
式中=3.0×108m/s是真空中的光速，h=6.6×10式中=3.0×108m/s是真空中的光速，h=6.6×10=3.0 是真空中的光速 34J.S是普朗克常数 光流强度常用光功率表示， 是普朗克常数。 34J.S是普朗克常数。光流强度常用光功率表示，单 位为W 位为W。单色光的光功率可用下式表示
山 西 大 学
物 理 实 验 中 心
王晓波 E-mail：wxb@
λ
p = R E
式中R为单位时间通过某一截面的光子数。 式中R为单位时间通过某一截面的光子数。即只要 测得R 就可得到。 测得R，就可得到。
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其它相关部件： 包括各种附件及保证仪器正常工作的连接电缆等。
1.2 主要技术指标
光谱采集范围： 360-650 nm
积分时间： 0-30 min(1ms/档,可调) 最大计数： ≥107
域值电压： 0-2.56 V(10mV/档，可调)
暗 计 数： ≤30CPS/S (探测器 CR125 -20℃)
二、 仪器的原理和结构 ...................................................................................................... 1 2.1 原理 ......................................................................................................................... 1 2.2 结构 ......................................................................................................................... 3 2.3 实验内容 ................................................................................................................. 4
SGD-2 型 单光子计数实验系统
使用说明书
(天 天津市港东科技发展有限公司 津
目录
一、 成套性与主要技术指标 .............................................................................................. 1 1.1 成套性 ..................................................................................................................... 1 1.2 主要技术指标 ......................................................................................................... 1
附录 仪器成套性 ................................................................................................................ 27
天津市港东科技发展有限公司
SGD-2 单பைடு நூலகம்子计数实验系统
四．操作方法 ........................................................................................................................ 9 4.1 工作界面介绍 ......................................................................................................... 9 4.1.1 菜单栏 ........................................................................................................ 10 4.1.2 工具栏 ........................................................................................................ 11 4.1.3 工作区 ........................................................................................................ 12 4.1.4 状态栏 ........................................................................................................ 12 4.1.5 参数设置区 ................................................................................................ 12 4.1.6 寄存器信息提示区 .................................................................................... 12 4.1.7 寄存器选择及波长显示栏 ........................................................................ 12 4.1.8 快捷键 ........................................................................................................ 12 4.2 功能介绍 ............................................................................................................... 12 4.2.1 基本设置 .................................................................................................... 12 4.2.2 寄存器信息 ................................................................................................ 13 4.2.3 当前寄存器 ................................................................................................ 13 4.2.4 文件管理 .................................................................................................... 13 4.2.5 打印输出 .................................................................................................... 15 4.2.6 信息及视图管理 ........................................................................................ 18 4.2.7 工作 ............................................................................................................ 19 4.2.8 数据的读取 ................................................................................................ 20 4.2.9 数据/图形处理 ........................................................................................... 23 4.2.10 显示版本信息 .......................................................................................... 26
二、 仪器的原理和结构
2.1 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。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”。
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， 便于计算机处理，为教师作相关教学提供了必要的实验环境。
一、 成套性与主要技术指标
1.1 成套性
主
机： 1 台 （包括探测器、光源及功率计）
制 冷 系 统： 1 台 制冷温度约-20℃
三．安装 ................................................................................................................................ 5 3.1 开箱 ......................................................................................................................... 5 3.2 安装场地 ................................................................................................................. 5 3.3 安装 ......................................................................................................................... 6 3.3.1 安装 ............................................................................................................ 6 3.3.2 制冷系统的调整 ........................................................................................ 6 3.3.3 开机 ............................................................................................................... 7 3.4 软件的安装 ............................................................................................................. 7 3.5 驱动程序的安装 ...................................................................................................... 9