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P₀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，单个光子的能量与光波频率的关系是

                                                              (1)

光子流量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，用光功率表示，单位为W。单色光的光功率与光子流量的关系是

                                     (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。光子入射到PMT的光阴极上时，由光电效应产生光电子，经过聚焦和加速打到第一倍增极上，产生更多的二次电子；二次电子又入射到第二倍增极上……经过多处倍增极的增殖作用，电子数目达到可测量的程度，最后由阳极所收集，形成电脉冲信号。

实际实验条件下，打到光阴极的光子并不一定都能够激发出光电子来，故存在量子效率这一概念。量子效率，指的就是光阴极产生的光电子数与入射的光子数之比。本实验所使用的仪器在接收500nm波长的光时量子效率为2%。

2.3    单光子电子峰

将PMT的阳极输出脉冲接到脉冲高度分析器，可以得到如图所示的单电子峰分布，以横坐标表示电子能量，纵坐标表示脉冲计数率

图 1  单光子电子峰

形成这种分布有以下几个原因。

（1）                  光阴极发射的电子，包括光电子和热发射电子，都受到了所有倍增级的增殖。因此它们的幅度大致接近。

（2）                  各倍增级的热发射电子经受倍增的次数要比光阴极发射的电子经受得的少，因此前者在阳极上形成的脉冲幅度要比后者低。所以图中脉冲幅度较小的部分主要是热噪声脉冲。

2.4光子计数器的噪声和信噪比

测量弱信号最关心的是测量的信噪比。因此，必须分析光子计数系统中的各种噪声的来源。

（1）       泊松统计噪声。

（2）       暗计数。

PMT的光阴极和各倍增极还有热电子发射，即在没有入射光的情况下，还会有“暗计数”存在。暗计数以R_d表示，而纯的光电子计数则记为R_p，可以推出信噪比R_SN为：

( 3)中，N_t与N_d分别表示积分时间内测得的总计数与积分时间内测得的暗计数，t表示积分时间。且有N_t-N_d=R_pt，N_d=R_dt。

（3）       脉冲堆积效应

对于PMT来说，当后续光电子脉冲与前一个脉冲的时间间隔小于其分辨时间时，阳极回路只输出一个脉冲，这种现象称为脉冲堆积效应。如果接连有许多脉冲来临前的时间间隔都小于其分辨时间，这些脉冲都不能分辨。同样，甄别器也具有一定的死时间，会造成计数率的损失。

三、        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，包括光源、功率计、分束器、光阑组、制冷器、PMT、放大器、高压电源、放大器、甄别器以及计算机。采用高亮度发光二极管作光源，波长中心500nm，半宽度30nm。为减少暗计数，用半导体制冷器降低PMT的工作温度，最低温度可达-20°C。

四、        实验内容

本实验所做的实验内容主要是：

1、  确定了弱光测量需要的最佳甄别电平；

在阈值方式下，改变甄别电平，通过测量暗计数率R_d和光计数率R_p，对测量次数平均后，计算信噪比，确定最佳甄别电平。

2、  研究了信噪比R_SN与接受光功率P₀以及积分时间t的关系；

接收光功率P₀下按下式计算：              （4）

（1）                   选择一定的积分时间，通过选择减光片组，使入射光功率分别为10^-13W、10^-14W、10^-15W和10^-16W等几种情况，研究信噪比与接收光功率的关系。

（2）                   选择一定的入射关光功率10^-14W，积分时间分别选为0.1s、1s、10s、100s等几种情况，研究信噪比与积分时间t的关系。

3、  研究作温度T对暗计数率R_d的影响。

在数据采集系统的时间方式模式下，用半导体制冷仪降温，工作温度从室温开始每隔5°C分别测量暗计数率R_d，直到-20°C.通过对结果进行统计平均后，得到R_d-t的曲线。

五、        实验结果与分析

5.1  弱光测量需要的最佳甄别电平

在实验中，本文选择入射光的功率P_i≈10^-13W，在阈值模式下，固定PMT的工作电压，不加制冷电流但开通制冷水，积分时间为1s，分别测量暗计数率R_d和光计数率R_p由，由公式计算出信噪比。表1为测量得到的信噪比与SNR与甄别电平U的关系。根据测量的结果可以发现，在U从14V变化到24V过程中，信噪比先上升后下降，在U=18V时信噪比最高，但由于一些误差、滞后效应以及实验条件限制，我们选择20V作为最佳甄别天平。

表1 信噪比与甄别电平的关系

图1 信噪比与甄别电压的关系

5.2   信噪比R_SN与积分时间t的关系

保持甄别电压在最佳值U=20V，在时间方式模式下，固定入射功率和其他条件，积分时间分别选为0.1s、1s、10s、100s等几种情况，研究信噪比与积分时间t的关系。图3为测量得到的信噪比与积分时间的关系。由公式

                                     （5）                                                     

可知信噪比与积分时间的开方成正比。如图2

                   

  图2 信噪比与积分时间的关系

5.3 信噪比R_SN与入射功率的关系

保持甄别电压在最佳值U=20V，其他的条件保持不变，通过调节激光的功率和滤光片改变光强，测量在不同的入射功率的情况下的信噪比，得到结果如图2所示。

图3 信噪比与入射光功率的关系

从图中可以看出，信噪比随入射光的功率增加而增加。这是因为噪声在此实验条件下几乎不变，而测量信号岁入射光增强而增强，所以信号强度相对于噪声的强度就越大。

5.4 工作温度对暗计数R_d的影响

在数据采集系统的时间方式模式下，固定入射光功率在P_i≈10^-14W，在最佳甄别电平位置，积分时间选择为1s，用半导体制冷仪降温，工作温度从室温开始每隔5°C分别测量暗计数率R_d，直到-20°C。测量结果如图4所示。

图 4 暗计数与温度的关系                          

从图4可以看出，暗计数随温度的下降而下降，但当温度下降到一定程度（约为-5°C）后，暗计数就保持在一个恒定值（R_SN=8）附近。这是因为暗计数来自于电路的热噪声和电子的冷发射以及其他的一些随机干扰。前两者与温度有关且随温度的升高而增大，而其他随机扰动可以认为与温度无关。当温度比较高时，热噪声与电子冷发射占了暗计数的主要部分，因此暗计数随温度的下降而明显减少；当温度下降到一定范围后，暗计数的主要部分便来自于其他的随机扰动，因而暗计数不再随温度的下降而明显下降。

六、实验结论

本实验利用单光子计数器实验系统，对500nm的近单色光进行了弱光测量，确定了功率约为10^-13W的情况下此实验系统的最佳甄别电平为20V，研究了信噪比与受光功率P₀以及积分时间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。

七、参考文献

熊俊等,.近代物理实验.北京.北京师范大学出版社,20##年

第二篇：工科大学物理实验与光电子专业实验1讲义编写计划

工科大学物理实验与光电子专业实验1讲义编写计划

1.       编写实验讲义

   编写要求参考《大学物理实验讲义》2009版内容，包括：实验目的、实验用具、实验原理、仪器介绍、实验内容与要求、注意事项和思考问题。

2． 写测试报告

3.  10月份检查完成情况。部分实验要求17周交稿（下学期实验使用）

实验项目分工表

415室

CSY998C传感器技术实验仪

1、        应变片性能——单臂、半桥、全桥电桥

2、        应变片全桥性能——电子称实验

3、        应变片的温度效应及补偿

4、        热电偶的原理及现象

5、        移相器实验

6、        相敏检波器实验

7、        应变片——交流全桥

8、        交流全桥的应用——振幅测量

9、        流全桥的应用——电子称之一

10、    差动变压器（互感式）的性能

11、    差动变压器（互感式）零点残余电压补偿实验

12、    差动变压器（互感式）的标定

13、    差动变压器（互感式）的应用——振动测量

14、    差动变压器（互感式）的应用——电子秤之二

15、    差动螺管式（自感式）传感器的静态位移性能

16、    差动螺管式（自感式）传感器的动态位移性能

17、    电涡流式传感器的静态标定

18、    被测体材料对电涡流传感器特性的影响

19、    电涡流传感器的应用——振幅测量

20、    电涡流传感器的应用——电子秤之三

21、    霍尔传感器的直流激励静态位移特性

22、    霍尔传感器的应用——电子秤之四

23、    霍尔传感器的交流激励静态位移特性实验

24、    霍尔传感器的应用——振幅测量

25、    磁电式传感器的性能

26、    压电传感器的动态响应实验

27、    压电传感器引线电容对电压放大器的影响、电荷放大器

28、    差动面积式电容传感器的静态特性

29、    差动面积式电容传感器的动态特性

30、    双平行梁的动态特性——正弦稳态影响

31、    扩散硅压阻式压力传感器实验

32、    光纤位移传感器静态实验

33、    光纤位移传感器动态实验

34、    PN结温度传感器测温实验

35、    热敏电阻测温演示实验

36、    气敏传感器(MQ3)实验

37、    湿敏电阻(RH)实验

38、    光电传感器(反射型)测转速实验

39、    光电式光开关测转速实验

415室

CSY2000G光电传感器实验台

1、  光电基础知识实验

2、  光敏电阻实验

3、  光敏二极管特性实验

4、  光敏三极管特性实验

5、  光电池实验

6、  光开关实验（透射式）

7、  红外反射式光电开关实验（反射光耦）

8、  热释电红外传感器实验

9、  光源及光调制解调实验

10、    PSD位置传感器实验

11、    光纤位移传感器实验

12、    光纤温度传感器实验

13、    光纤压力传感器实验

14、    光电转速传感器的转速测量

15、    CCD电荷藕荷器件测定直径实验

16、    光栅位移传感器实验

415室

CSY-GLGD01光电特性综合实验台

1、  单色仪定标实验

2、  光电基础知识实验

3、  光开关实验（透射式）

4、  红外线反射式光电开关（光耦）

5、  热释电红外传感器实验

6、  光源及光调制解调实验

7、  光电转速传感器的转速测量

8、  LED&LD伏安（V/I）特性、光电转换（P/I）特性实验

9、  LED&LD光强空间分布及半值角测量实验

10、    LED&LD光谱特性实验

11、    光电探测器光谱响应度和暗电流测试

12、    光电倍增管特性测试

13、    APD雪崩光电二极管特性测试

14、    激光衍射光强分布实验

15、    莫尔条纹自动

415室

CSY-GLJT01激光多功能光电测试系统实验仪

1、  精密位移量的激光干涉测量

2、  数字干涉测量方法

3、  面形的三维干涉测量及评价

4、  光学玻璃的波差测量

5、  光学系统的PSF及MTF评价

6、  光学玻璃均匀性测量

7、  缝宽或间隙的衍射测量

8、  微孔直径的衍射测量

9、  巴俾特原理及细丝直径测量

10、    变形的全场衍射测量

11、    透镜的FT性质及图形的光学频谱分析

12、    4f光学系统FT及IFT系统

13、    图像信息处理的光学实现

14、    光散斑的性质及测试方法

15、    面内位移的散斑测量

16、    形变的散斑测量

17、    速度测量及振动监视

18、    散斑编码及图象处理方法

19、    激光共焦测量的原理及实验

20、    三维形貌层析的共焦测量

21、    位移的纳米量测量方法

22、    微弱振动的纳米测量与监视

23、    光纤传感技术的原理与实验

24、    光纤干涉技术及应用实验

25、    薄透镜成像实验

26、    薄透镜焦距测量

319室

ZKY-WB微波光学实验仪

1、  微波的反射

2、  驻波-测量波长

3、  棱镜的折射

4、  偏振

5、  双缝干涉

6、  劳埃德镜

7、  法布里-罗布干涉仪

8、  迈克尔逊干涉仪

9、  布儒斯特角

10、    布喇格衍射

11、    纤维光学

SGQ-2型光纤信息及光通信实验系统

1.光纤光学基本知识演示实验

2.光纤与光源耦合方式实验

3.多模光纤数值孔径（NA）测量实验

4.光纤传输损耗性质及测量实验

5.光纤分束器参数测量实验

6.可调光衰减器及参数测量实验

7.光纤隔离器及参数测量实验

8.光纤光开光实验

9.波分复用（WDM）原理性实验

10.M-Z光纤干涉实验

11.光纤温度传感原理实验

12.光纤压力传感原理实验

13.光发射机消光比测量实验

14.掺铒光纤放大器原理性实验

15.开路音频模拟信号传输实验

GBG型光波导测试仪

1．  用对称棱镜耦合器的光波导m线实验；

2．  用直角棱镜耦合器的光波导输入和输出耦合实验；

3．  由模折射率确定介质薄膜的厚度、折射率和折射率分布；

4．  金属包复光波导参数测量等。

XGY-1型电寻址液晶光阀实验仪

1．液晶的电光效应实验；

2．用衍射理论测量电寻址液晶光阀的微结构；

3．光的干涉和衍射实验；

4．计算全息光学实验；

5．全息图衍射效率的测量实验；

6．傅立叶变换性质及全息性质的验证。

315室

光学平台

1     用自准法测薄凸透镜焦距

2     用两次成像法测凸透镜焦距

3     由物象放大率测目镜焦距

4     自组显微镜

5     自组望远镜

6     自组投影仪

7     透镜组节点和焦距的测定

8     自组带正像棱镜的望远镜

9     杨氏双缝实验

10    菲涅耳双棱镜干涉

11    菲涅耳双镜干涉

12    劳埃德镜干涉

13    牛顿环

14    夫琅禾费单缝衍射

15    夫琅禾费圆孔衍射

16    菲涅耳单缝衍射

17    菲涅耳圆孔衍射

18    菲涅耳直边衍射

19    偏振光的产生和检验

20    光栅衍射

21    光栅单色仪

22    全息照相

23    制做全息光栅

24    阿贝成像原理和空间滤波

25    θ调制

26    测定空气折射率

409室

FB715型设计性实验装置

1、  电路元件伏安特性的测绘

2、  基本电路的测量

3、  基本仪器的使用

4、  整流滤波电路

5、  稳压电路

6、  RC、RL暂态电路的研究

7、  RLC暂态电路的研究

8、  元件参数的测量

9、  电表的改装

10、    电桥电路

11、    电路混沌效应