1、單光子計數(shù)實驗系統(tǒng)的研究光信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè) 20060810090110 呂茂文指導(dǎo)教師 熊狂煒摘要單光子計數(shù)實驗系統(tǒng)運用脈沖幅度甄別器和光子計數(shù)器測量光子數(shù)的實驗原理并在光電倍增管相關(guān)的理論基礎(chǔ)上，通過改變光功率和積分時間來確定最佳甄別電壓，并在此甄別電壓下，觀測光子計數(shù)率的變化情況。利用Origin軟件對實驗曲線進行擬合，通過該方法得到光功率和信噪比，光功率和光子計數(shù)率以及積分時間和信噪比的關(guān)系。本文通過比較實驗測得的結(jié)果和理論數(shù)值來分析影響單光子計數(shù)實驗系統(tǒng)的各種因素，最后確定一種合理的單光子計數(shù)方法。關(guān)鍵詞：甄別電壓；信噪比；光子計數(shù)率；光電倍增管；光功率；積分時間Research

2、of the Single-Photon Count Experimentation SystemAbstract: In single photon count experiment, impulse analyzer and photon counter are used to measure photons and on the relevant basics theory of the photomultiplier tube. The best screening voltage is identified by the means of altering optical power

3、 and integration time. In addition we observe the trend of photon counting rate under this voltage. Using Origin software to fit experiment curves, we can obtain the relationship between integration time and signal to noise ratio, the optical power and photon count rate and integration time and sign

4、al to noise ratio This paper analyzes various factors affecting the Single-Photon Count Experimentation System by comparing the measured results and theoretical values, eventually, obtaining a reasonable single-photon counting method.Key words: screening voltage; signal to noise ratio; photon counti

5、ng rate; optical power; integration time 第一章 引言現(xiàn)代光測量技術(shù)已步入極微弱發(fā)光分析時代。在諸如生物微弱發(fā)光分析、化學(xué)發(fā)光分析、發(fā)光免疫分析等領(lǐng)域中，輻射光強度極其微弱，要求對所輻射的光子數(shù)進行計數(shù)檢測。單光子計數(shù)器是一種檢測弱光信號的重要檢測儀器，它在一些基礎(chǔ)科學(xué)研究，特別是在某些前沿學(xué)科研究中得到了廣泛的應(yīng)用。例如在激光研究；喇曼散色；熒光，磷光測量；化學(xué)，生物，醫(yī)學(xué)，物理等各個領(lǐng)域中發(fā)光的研究；質(zhì)譜，X射線測量；基本粒子分析；光吸收的研究；分子射線譜以及生命科學(xué)等領(lǐng)域中都已廣泛使用光子計數(shù)技術(shù)。對于一個具有一定光強的光源，若用光電倍增管接收它的

6、光強，如果光源的輸出功率及其微弱，相當(dāng)于每秒鐘光源在光電倍增管接收方向發(fā)射數(shù)百個光子的程度，那么，光電倍增管輸出就呈現(xiàn)一系列分立的尖脈沖，脈沖的平均速率與光強成正比，在一定的時間內(nèi)對光脈沖計數(shù)，便可檢測到光子流的強度，這種測量光強的方法稱為光子計數(shù)。單光子計數(shù)屬于弱光測量的范疇。在光功率為 或更微弱時，對此，通常的測量方法已無能為力，只能用光子計數(shù)技術(shù)進行測量。相對于傳統(tǒng)的光電流測量方法相比，它具有無法比擬的優(yōu)點。本文通過大量的實驗數(shù)據(jù)對單光子計數(shù)實驗系統(tǒng)進行實踐測試，通過對實驗測得的數(shù)據(jù)和理論數(shù)值進行對比分析，得出影響單光子計數(shù)的綜合因素，最后得出一種比較準(zhǔn)確合理的計數(shù)方法。第二章

7、 單光子計數(shù)實驗原理和系統(tǒng)2.1：單光子計數(shù)實驗的原理2.11：光電倍增管的工作原理 光電倍增管是一個由光陰極、陽極和多個倍增極(亦稱打拿極)構(gòu)成的特殊電子管。它的前窗對工作在可見光區(qū)及近紫外區(qū)的用紫外玻璃：而在遠(yuǎn)紫外區(qū)則必須使用石英。 (1)光陰極：光陰極的作用是將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，當(dāng)外來光子照射光陰極時，光陰極便可以產(chǎn)生光電子。產(chǎn)生電子的多少與照射光的波長及強度有關(guān)。當(dāng)照射光的波長一定時，光陰極產(chǎn)生光電流的強度正比于照射光的強度，這是光電倍增管測定光強度的基礎(chǔ)。各種不同的光電倍增管具有不同的光譜靈敏度。目前很少用單一元素制作光陰極，常用的有AgOCs、Cs3Sb、BiAgOCs、Na2K

8、Sb、K2CsSb等由多元素組成的光陰極材料。 (2)倍增極：倍增極也稱打拿極，所用的材料與陰極相同。倍增極的作用實質(zhì)上是放大電流，即在受到前一級發(fā)出的電子的打擊后能放出更多的次級電子。普通光電倍增管中倍增極的數(shù)目，一般為11個，有的可達(dá)到20個。倍增極數(shù)目越大，倍增極間的電位降越大，PMT的放大作用越強。圖1 光電倍增管的工作原理圖 (3)陽極：大部分由金屬網(wǎng)做成，置于最后一級打拿級附近，其作用是接受最后一個倍增極發(fā)出的電子。但接受后，不象倍增極那樣再射出電子，而是通導(dǎo)線以電流的形式輸出。光電倍增管的工作原理如圖1所示，在光電倍增管的陰極和陽極間加一高電壓，且陽極接地，陰極接在高壓電源的負(fù)端

9、。另外，在陽極和陰極之間串接一定數(shù)目的固定電阻，這樣在每個倍增級上都產(chǎn)生一定的電位降(一般為50V到90V)，使陰極最負(fù)(圖中假定為·400V)，每一倍增極-300V，順次增高，至陽極時為Jf0”V。當(dāng)一束光線照射陰極時，假設(shè)產(chǎn)生一個光電子，這個光電子在電場的作用下，向第一倍增極射去。由于第一倍增極的電位比光陰極要正100V，所以電子在此期間會被加速。當(dāng)其撞擊第一倍增極時，會濺射出數(shù)目更多的二次電子(圖中假定為2個)。依此類推，電子數(shù)目越來越多。目前，一般光電倍增管的電子數(shù)總增益G約為106，有的甚至高達(dá)108101，由于其放大作用很強，所以適用于微弱光信號的測量。這里 G=dN (

10、1)式中d是每一個入射光電子能打出的二次電子的平均數(shù)，叫做二次發(fā)射系數(shù)。此二次發(fā)射系數(shù)與倍增級材料及倍增極間的電位降有關(guān)，式中n為倍增極的數(shù)目。本實驗系統(tǒng)中用的光電倍增管要求其光譜響應(yīng)適合所用的工作波段，暗電流要小(決定管子的探測靈敏度)，響應(yīng)速度及光陰極穩(wěn)定。 2.12：SGD-2單光子計數(shù)實驗系統(tǒng)工作原理本實驗系統(tǒng)利用弱光下光電倍增管輸出電流信號自然分離的特征，采用脈沖高度甄別和數(shù)字計數(shù)技術(shù)將淹沒在背景噪聲中的弱光信號提取出來。當(dāng)弱光照射到光陰極時，每個入射光子以一定的概率(量子效率)使光陰極發(fā)射出一個電子。這個光電子經(jīng)倍增后在陽極形成一個電流脈沖，通過負(fù)載電阻形成一個電壓脈沖，即單光子脈

11、沖。除了上述單光子脈沖外，還有各倍增極地?zé)岱瓷潆娮釉陉枠O回路中形成的熱反射噪聲脈沖。熱電子受倍增的次數(shù)比光電子少，因而它在陽極上形成的脈沖幅度較低。此外還有光陰極的熱反射形成的脈沖。噪聲脈沖和光電子脈沖的幅度分布如圖2所示。圖2光電倍增管輸出脈沖分布圖2中脈沖幅度較小的主要是倍增極產(chǎn)生的熱反射噪聲信號，而光陰極反射的電子(包括光電子和光陰極的熱反射電子)形成的脈沖幅度較大，出現(xiàn)“單電光子峰”。 為了能夠?qū)崿F(xiàn)對弱光經(jīng)過光電倍增管放大后產(chǎn)生的單光子電壓脈沖的準(zhǔn)確計數(shù)，必須設(shè)法消去光電倍增管噪聲脈沖特別是倍增極產(chǎn)生的熱反射噪聲脈沖對計數(shù)器的干擾。本實驗采用脈沖高度甄別和數(shù)字計數(shù)技術(shù)來實現(xiàn)。其原理框圖

12、如圖3所示：圖3單光子計數(shù)器原理框圖·放大器 把光電子脈沖和噪聲脈沖線性放大。經(jīng)放大的脈沖信號送至脈沖幅度甄別器。·脈沖幅度甄別器 甄別器中設(shè)有一個連續(xù)可調(diào)的參考電壓Vh。當(dāng)輸入脈沖高度低于Vh時，甄別器過濾該脈沖，使甄別器不產(chǎn)生輸出。只有高于Vh的脈沖，甄別器才輸出一個標(biāo)準(zhǔn)脈沖。由于噪聲脈沖和單光子脈沖的幅度的分離，只要選取合適的參考電壓Vh，就能去掉大部分噪聲脈沖而只有光電子脈沖通過，從而提高信噪比。·計數(shù)器 在規(guī)定的時間間隔內(nèi)將甄別器的輸出脈沖累加計數(shù)。 2.2:實驗系統(tǒng)2.21 【實驗器材及結(jié)構(gòu)】SGD-1型單光子計數(shù)器1、光源用高亮度發(fā)光二極管作光源，波

13、長中心500nm，半寬度30nm。為提高入射光的單色性，儀器備有窄帶濾光片，其半寬度為 18nm。2、接收器接收器采用 CR125 光電倍增管為接收器。實驗采用半導(dǎo)體致冷器降低光電倍增管的工作溫度，最低溫度可達(dá)-20。3、光路實驗系統(tǒng)的光路如圖所示：為了減小雜散光的影響和降低背景計數(shù)，在光電倍增管前設(shè)置了一個光闌筒，內(nèi)設(shè)光闌三片。另外在筒的另一端有用來連接減光片的螺紋接口，教師可根據(jù)需要放置減光片、窄帶濾光片等。主要本系統(tǒng)備有減光片 5 組，窄帶濾光片一塊，參數(shù)如下：名稱透過率反射率備注窄帶濾光片88中心波長500nmAB21.5%1.5%AB510.4%10.4%AB1010%10%半透半反

14、射18.9%22.1%2.22 單光子計數(shù)軟件介紹：工作界面主要由菜單欄、主工具欄、輔工具欄、工作區(qū)、狀態(tài)欄、參數(shù)設(shè)置區(qū)以及寄存器信息提示區(qū)等組成。菜單欄中有“文件”、“信息/視圖”、“工作”、“讀取數(shù)據(jù)”、“數(shù)據(jù)圖形處理”、“幫助”等菜單項。單擊這些菜單項可彈出下拉菜單，利用這些菜單即可執(zhí)行軟件的大部分命令。下面簡單介紹各菜單的功能：1.1.1 工具欄1.“文件”菜單（如圖 ）新建 清除當(dāng)前實驗的所有數(shù)據(jù)打開 打開一個已經(jīng)存在的數(shù)據(jù)文件保存 把所選寄存器中的數(shù)據(jù)存入文件打印設(shè)置 設(shè)置打印機的屬性及打印參數(shù)打印預(yù)覽 顯示打印時文件的外觀打印 打印當(dāng)前的譜線及數(shù)據(jù)退出 退出 SGD-2 控制處理

15、系統(tǒng) 2.“信息/視圖”菜單（如圖 ）采集信息 輸入采集環(huán)境及其它信息寄存器信息 顯示寄存器詳細(xì)信息 顯示網(wǎng)格 顯示網(wǎng)格坐標(biāo)加強數(shù)據(jù)點方式 對數(shù)據(jù)點進行加強顯示數(shù)據(jù)點方式 只顯示數(shù)據(jù)點3.“工作”菜單（如圖） 開始 從起始點描到終止點 暫停 在起始點終止點重復(fù)掃描停止 停止掃描檢測環(huán)境 在每次改變環(huán)境時記錄環(huán)境4.“讀取數(shù)據(jù)”菜單（如圖 ） 讀取數(shù)據(jù) 讀取指定點的數(shù)據(jù)擴展 對波長和數(shù)值進行擴展取消所有擴展 取消本次實驗的所有擴展尋峰 檢索峰、谷的位置顯示 根據(jù)設(shè)置顯示譜線刷新 刷新屏幕5.“數(shù)據(jù)圖形處理”菜單（如圖 4-7） 計算 對設(shè)置的譜線進行計算平滑 平滑選定的譜線改變寄存器顏色 改變寄

16、存器顏色改變寄存器線型 改變選定的寄存器的線型1.1.2 工具欄軟件提供了兩個工具欄，每個工具欄由一組工具按鈕組成，分別對應(yīng)某些菜單項或菜單命令的功能，用戶只需用鼠標(biāo)左鍵單擊按鈕，即可執(zhí)行相應(yīng)的操作或功能.1.1.3 工作區(qū)工作區(qū)是用戶繪制、瀏覽、編輯譜線的區(qū)域。工作區(qū)可同時顯示多條譜線。1.1.4 狀態(tài)欄狀態(tài)欄用于反映當(dāng)前的工作狀態(tài)。另外，當(dāng)定點設(shè)備指向某一菜單項或按鈕時，會在狀態(tài)欄顯示相應(yīng)的功能說明。1.1.5 參數(shù)設(shè)置區(qū)參數(shù)設(shè)置區(qū)包含了二個標(biāo)簽：“參數(shù)設(shè)置”、 “數(shù)據(jù)”。參數(shù)設(shè)置 設(shè)置工作模式、工作范圍及采樣參數(shù)數(shù)據(jù) 顯示選定的寄存器中的數(shù)據(jù)1.1.6 寄存器信息提示區(qū)顯示各寄存器的信息

17、。1.1.7 寄存器選擇及波長顯示欄選擇當(dāng)前寄存器，顯示當(dāng)前波長位置。1.2功能介紹 主要是設(shè)置工作參數(shù)（Setup）其他跟windows操作類似。選擇參數(shù)設(shè)置區(qū)的“參數(shù)設(shè)置”項，界面中顯示如圖 4-8 所示的對話框。模式:所采集的數(shù)據(jù)格式，有時間方式、域值方式兩種模式。工作范圍：在起始點、終止點和最大、最小值四個編輯框中輸入相應(yīng)的值，以確定掃描時的范圍。當(dāng)使用動態(tài)方式時，最大值、最小值設(shè)置不起作用。采樣參數(shù)時間單位：設(shè)分(m)、秒(s)、毫秒(ms)三種。采樣參數(shù)采樣間隔：設(shè)置采樣時間間隔。采樣參數(shù)積分時間：設(shè)置采樣時的曝光時間。采樣參數(shù)高壓：設(shè)置提供給倍增管的高壓大小。設(shè) 18檔。采樣參數(shù)

18、域值：設(shè)置甄別電平。設(shè) 1256 檔。采樣參數(shù)冷卻溫度：設(shè)置冷卻溫度）。第三章 單光子實驗的實驗研究31 如何確定最佳甄別電壓首先我們確定一個外界功率P=0.02uw，積分時間為60，在閾值方式下，通過計算最佳信噪比判定最佳甄別電壓： 3.2：在時間方式下，以最佳甄別電壓下觀察光子計數(shù)率的變化在積分時間為30，光功率P=0.04uw，采樣間隔=1000ms和最佳甄別電壓=240mv的外界條件下觀測光計數(shù)的情況：3.3：大量實驗數(shù)據(jù)得出：改變外界光功率和積分時間，基本上不會影響最佳甄別電壓的大小，基本上穩(wěn)定在：200mv280mv這個范圍內(nèi)。3.4：外界光功率P和光計數(shù)率Rp之間的關(guān)系在以下的實驗條件下，改變外界光功率的