下载文档原格式
单光子计数1、实验目的1）了解单光子计数工作原理。
2）了解单光子计数器的主要性能，掌握其基本操作方法。
3）了解用单光子计数系统探测微弱光信号的方法。
2、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/λν=h=hc式中c是真空中的光速。
光子流量可用单位时间内通过的光子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：εP=R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J19ε.3-=10*13当光功率为W1610-时，这种近单色光的光子流量为21=sR.3-19*10当光电流强度小于W1610-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，因此试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）测量弱光时光电倍增管输出信号的特征光电倍增管在实验1.2中已作介绍，其结构原理如图所示。
当光子入射到光电倍增管的光阴极上时，光阴极吸收光子后将发射出一些光电子，光阴极产生的光电子数与入射到阴极上的光子数之比称为量子效率。
大多数材料的量子效率都在30%以下，也就是说每100个入射光子大约只能记录下30个光电子。
在弱光下光电倍增管输出的光电子脉冲基本上不重叠。
所以光子计数实际上是将光电子产生的脉冲逐个记录下来的一种探测技术。
当然，从统计意义上说也是单光子计数。
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”见图。
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。
单光子计数器工作原理引言：单光子计数器（Single Photon Counter）是一种用于检测光子的仪器，它可以用于量子通信、光学成像、光谱测量等领域。
单光子计数器的工作原理涉及到光子的检测、计数和信号处理等多个方面。
本文将从光子的产生到信号的处理，全面解析单光子计数器的工作原理。
一、光子的产生光子是光的量子，它是电磁辐射的最小单位。
在实验室中，光子可以被产生出来，常见的方法有以下几种：1.激光激光是一种被高度定向和集中的光。
光子产生于激光器的激光管或半导体激光器中，激光器可以产生连续光束或脉冲光束，其光子的数量和频率可以被精确控制。
2.荧光材料某些材料被激发后会发出荧光，这时会产生光子。
这类材料通常作为素材，用于实验室中的荧光探测器和成像设备中。
3.放射性材料放射性材料产生的放射性衰变会导致光子的发射，这种放射性光子可以被用于核辐射测量和研究。
二、光子的检测单光子计数器的核心部分是光子检测器，它可以将入射的光子转换为可测量的电信号。
常用的光子检测器包括光电二极管（Photomultiplier Tube，PMT）、光电二极管（Avalanche Photodiode，APD）和超导单光子检测器（Superconducting Single Photon Detector，SSPD）等。
这些光子检测器各有特点，但它们的工作原理可以归纳为光电效应或光生电子效应。
1.光电效应在PMT中，光子进入光阴极后，会激发光电子的产生。
而在APD中，光子进入硅片后，会将成对的电子-空穴对分离，并通过增倍载流子的方法得到可测量的电流。
这两种方式都是通过光电效应将光子转化为电信号。
2.光生电子效应SSPD采用超导材料，在光子入射后会导致超导态的破坏，引发电子的产生。
这种方式也是将光子转化为电信号的方式之一。
三、光子的计数光子计数是单光子计数器的关键功能之一。
它可以通过对间歇光源的光子进行计数，从而实现对光子的精确计量。
时间相关单光子计数原理好啦，今天咱们就聊聊一个听起来有点高大上的话题——“时间相关单光子计数原理”。
哎哟，这名字一听是不是就感觉一头雾水？别担心，咱们慢慢说，保准能让你明白。
你就把它当成一项特别神奇的技术，能帮助我们测量那些肉眼根本看不见的微小世界。
你听说过量子世界吗？那个地方光线、时间，甚至是物体的位置都特别捉摸不定，像魔术一样。
但有了这个技术，我们可以偷偷地偷窥一下这些神秘的存在。
什么是单光子计数呢？简单来说，就是在某个时刻，我们捕捉到一个光子，哪怕它就像小猫一样偷偷溜进了探测器。
你看，这个“光子”就像是宇宙中的一个小小信使，带着信息飞速穿越空间，告诉你一些事情。
我们常常在实验室里使用这种单光子计数来做一些精密的测量。
光子就这么像个灵活的小精灵，进进出出地告诉我们外面世界的微妙变化。
你瞧，一切都发生在我们眼睛看不见的地方。
嘿，别小看这一个小小的光子，它可不是随便能被捕捉住的哦。
而“时间相关”呢，说白了，就是咱们要记录光子出现的精确时刻。
这可不是说随便瞄一眼就能知道的，这个得依赖一些高精度的设备，像什么高速的电子设备呀，探测器呀，连一秒钟都不能浪费。
这时候，你得拿出你最强的时间感来，因为一切都需要在精准的时刻发生。
如果说整个实验室是个舞台，那这些光子就是主角，而你手中的计时器，就是导演，得确保每个光子按时出场，按时退场，不然一切就乱了套。
咋说呢，这一过程可真是不简单，光子虽然快，但你能捕捉它的瞬间可不容易。
就好像你在拍一张快照，想要在一秒钟内拍到某个快速动作的瞬间，结果发现，这个动作太快，光线太闪，甚至相机的快门反应不过来，拍不到。
这时候你就得依靠“时间相关单光子计数”这种高端技术，通过非常细致的时间把握，才能把那些看似转瞬即逝的光子抓住。
你想啊，这种技术常常用于量子通信、量子计算这些前沿的领域，能帮我们更好地理解量子世界的奥秘。
打个比方，它就像是你和朋友打游戏时，往往需要抓住一个很短暂的机会窗口，才能完成一项非常复杂的任务。
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。
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。
单光子计数物理学系刘录081120076一、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，也有微通道板和雪崩光电二极管），通过分辨率单个光子在光电倍增管中激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话的方式提取出来。
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.了解单光子计数器的主要功能，掌握其基本操作方法。
3.了解用单光子计数系统检验微弱光信号的方法。
三、实验原理1.光子流量和光流强度光是有光子组成的光子流，单个光子的能量ε与光波频率ν的关系是ε=hν=hc/λ (1）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 (2）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10-16W时，这种近单色光的光子流量为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，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。
单光子计数实验报告
摘要：
本实验通过使用单光子计数器对单光子进行计数，探究单光子
的特性和量子力学现象。
我们使用了光学干涉技术和光学衰减技术，成功实现了单光子计数的实验。
实验结果表明，在特定条件下，我
们能够对单光子进行精确计数，并观察到粒子的波动-粒子二象性。
引言：
单光子计数是量子光学和量子信息处理领域的关键技术之一。
通过对单个光子的计数，我们可以揭示光子的量子本质和光子之间
的相互关系。
单光子计数实验也是刻画光子源和光子测量的重要手段。
本实验旨在探究单光子计数技术的原理和应用，以期加深对光
子本性的理解。
材料与方法：
1. 激光器：使用稳定的激光器作为光源，确保激光光束稳定且
单一。
2. 单光子计数器：采用高灵敏度的单光子计数器进行实验，确
保精确计数。
3. 光学元件：使用透镜、衰减片和光学干涉器等光学元件，调
节光子的强度和干涉效果。
实验步骤：
1. 调节激光器：调节激光器输出的功率和波长，使其适合单光
子计数实验需求。
2. 调节干涉器：使用干涉器将激光光束分成两个部分，并调节
路径差实现干涉效果。
3. 单光子计数：将干涉后的光束引导到单光子计数器中，进行
单光子计数实验。
4. 记录数据：记录单光子计数器输出的计数率，并观察计数率
随光强、干涉效果的变化。
结果与讨论：
我们进行了一系列的单光子计数实验，并记录了不同条件下的
计数率。
实验结果显示，在光子强度适中和干涉效果良好的情况下，。
单光子计数随着近代科学技术的发展，人们对极微弱光的信息检测越来越感兴趣。
所谓弱光，是指光流强度比光电倍增管本身在室温下的热噪声水平（10-14W ）还要低。
因此，用通常的直流测量方法，已不能把这种淹没在噪声中的信号提取出来。
近年来，锁定放大器在信号频带很宽或噪声与信号有同样频谱时就无能为力了，而且它还受模拟积分电路飘移的影响，因此锁定放大器在弱光测量受到一定的限制。
单光子计数方法是利用弱光照射下，光电倍增管输出电流信号自然离散化的特征，采用了脉冲高度甄别技术和数字计数技术，与模拟检测技术相比，它有以下优点：1、测量结果受光电倍增管的漂移、系统增益的变化等不稳定因素的影响较小。
2、基本上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，大大提高测量结果的信噪比。
3、有比较宽的线性动态范围。
4、可输出数字信号，适合与计算机接口作数字数据处理。
所以采用了光子计数技术，可以把淹没在背景噪声的弱光信号提取出来。
目前一般的光子计数器探测灵敏度优于10-17W 。
这是其它探测方法所不能比拟的。
本实验的目的是让学生掌握一种弱光检测技术；了解光子计数方法的基本原理、基本实验技术和弱光检测中的一些主要问题。
一、实验原理一、光子的量子特性光是由/λ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(10-3-1)式中=3.0×108m/s 是真空中的光速，=6.6×10-34J.S 是普朗克常数。
光流强度常用光功率 表示，单位为W 。
单色光的光功率可用下式表示(10-3-2) 式中为单位时间通过某一截面的光子数。
即只要测得，就可得到。
二、测量弱光时光电倍增管的输出特性光电倍增管是一种噪声小，高增益的光传感器，工作电路如图10-3-1。
当弱光信号照射到光阴极K 上，每个入射光子以一定的概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，在阳极回路上形成一个电流脉冲，即在R 1上建立一个电压脉冲，称为“单光子脉冲”。
单光子计数利用光的粒子性来检测光信号的方法称为光子计数。
当光信号微弱到只有十几个光子到数千个光子的光功率时怎样检测光信号？例如激光测月装置，激光测大气层，远程激光雷达，激光测距等，其光接收机探测到的光子数都非常少，这时用一般的探测光强平均值的方法是根本测不出来的因为灵敏度最高的光电信号其本身的热噪声水平也有10-14W 。
单光子计数把入射到探测器上的一个个的光转成一个个的电像冲，采用 冲高度甄别技术，将不我信号从噪声中提取出来。
目前一般光子计数的探测灵敏度优于10-17W 。
实际上，在我们的实验室里，激光拉曼光谱技术，X 射线衍射中均用到光子计数技术。
一 实验目的1．了解单光子计数的基本组成2．掌握单光子计数的原理，特别是脉冲幅度甄别技术及其在单光子计数中的应用。
3．掌握正确的选择甄别电压幅度对光子计数结果的影响。
二 实验原理1．光子光是由光子组成的光子流。
光子的静止质量为零。
对应于频率v ，光子的能量E p 可表达为J hc hv Ep λ/==（1） 或 eV e hc Ep λ=式中的，planck 常数sec,106.634J h −×=c 为真空中的光速，e 为电子电荷。
作为一个例子，当实验用的入射光波长为600nm 的近单色光，一个光子的能量eV J Ep 2103.319≈×=−光子流量R 定义为单位时间通过某一截面的光子数。
光流强度常用光功率P 表示。
对单色光p E R p ⋅=（2） 若上例中1410−=S R ，则其光功率p 为15194103.3103.310−−×=××=p （瓦）测得光子流量，即可得到光流强度。
由于可见光的光子能量很低，当前对弱光的检测的唯一有效探测器是光电倍增管并配以高增益、低噪声的电子学系统，组成光子计数器。
2．光电倍增管（英文简称PMT ）的结构与工作原理图1 光电倍增管结构一个典型的PMT 结构如图1，其供电原理如图2。
单光子计数技术的理论和应用研究单光子计数技术是一种非常重要的技术，它可以用于很多领域，例如量子信息、光学成像、生物医学等等。
本文将介绍单光子计数技术的理论和应用研究，并从几个方面详细探讨单光子计数。
一、单光子计数技术的基本理论单光子计数技术是一种非常精密的技术，它需要一些基本的理论作为支撑。
首先，需要知道光子是什么。
光子是电磁波量子化后的结果，具有粒子性质。
此外，需要了解一些光学原理，例如干涉、衍射、偏振等等。
在单光子计数技术中，常用的器件包括单光子计数器、光子降噪器、光子纠缠源等等。
这些器件都能够有效地帮助实现单光子计数技术。
二、单光子计数技术在量子信息中的应用量子信息是一种非常重要的信息处理方式，单光子计数技术则是量子信息的重要组成部分。
单光子计数技术可以用于量子密钥分发、量子比特读取、量子态制备等等。
例如，在量子密钥分发中，需要验证光子是否为单个光子，这就需要单光子计数技术。
此外，还可以利用单光子计数技术实现远距离量子通信。
三、单光子计数技术在光学成像中的应用单光子计数技术也可以用于光学成像。
单光子计数技术可以实现非常高的分辨率，因此在超分辨率成像领域有着广泛的应用。
例如，在生物医学成像领域，单光子计数技术可以用于显微镜成像，可以有效地观察到生物体内的微小结构和细胞器等等。
此外，单光子计数技术还可以用于表面等离子共振成像、荧光共振能量转移成像等等光学成像技术中。
四、单光子计数技术在生物医学中的应用单光子计数技术在生物医学中的应用也非常广泛。
例如，在纳米生物医学领域中，单光子计数技术可以实现非常高的灵敏度，可以有效地检测生物分子、细胞等等。
此外，单光子计数技术还可以应用于荧光分子显微技术、分子影像学等等。
它们都需要高灵敏的光学检测技术，单光子计数技术则是一种非常好的选择。
五、单光子计数技术的发展趋势随着技术的不断发展，单光子计数技术的应用领域也在不断扩展。
未来，单光子计数技术将会被应用于更多领域，例如光学量子计算、光学量子模拟等等。
单光子计数实验报告实验目的：通过单光子计数实验对光子进行计数，测量光的粒子性质，了解和掌握单光子计数的实验原理和方法。
实验原理：单光子计数实验的原理是在放置样品的位置上，加上一个具有很小的孔的反射镜。
样品放在孔的一侧，从另一侧通过激光器照亮样品。
样品中将发生一些光散射，并向照射点反射。
由于激光器照射到样品上的光子数巨大，因此需要在样品的反射镜之后使用一个单光子计数器。
光子在进入单光子计数器之前需要经过一个单光子探测器，在电子探测器中形成电子穴，电子从中释放出来并被放大，最终达到单光子探测器的灵敏度。
使用单光子计数器可以避免通过光子测量获得的一些误差，鉴定近乎真实的光子数。
实验过程：首先，需要准备一台单光子计数器，并确定计数器的响应灵敏度。
然后，将样品放置在镜子的一侧，并向其照射激光器。
为了保证单光子计数实验的精度，需要将样品用一定的方式旋转，使得所有光子都可以被测量。
在样品的反射镜后安装单光子探测器，通过计算单光子计数器的电荷输出来测量光子的数量。
实验结果：在实验中，我们对运用单光子计数法测量光子数进行了研究。
结果显示，当光子数量增加时，光子测量出现了一些误差。
通过调整激光器、反射镜、单光子探测器等设备的参数，可以有效地减少光子误差的发生。
结论：单光子计数实验是一种非常有趣且有用的物理实验。
通过这种实验，我们可以对光子的粒子性质进行非常精确的测量，这对探讨光的粒子性质具有十分重要的意义。
实验中还需要严格控制实验参数，并针对实验室环境进行相应的优化，以保证测量结果的准确性。
实验四 单光子计数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。
它可以探测微弱到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。
微弱光检测的方法有：锁频放大技术、锁相放大技术和单光子计数方法。
最早发展的锁频原理是使放大器中心频率0f 与待测信号频率相同，从而对噪声进行抑制。
但这种方法存在中心频率不稳、带宽不能太窄、对待测信号缺乏跟踪能力等缺点。
后来发展了锁相放大技术，它利用待测信号和参考信号的互相关检测原理实现对信号的窄带化处理，能有效的抑制噪声，实现对信号的检测和跟踪。
但是，当噪声与信号有同样频谱时就无能为力，另外它还受模拟积分电路漂移的影响，因此在弱光测量中受到一定的限制。
单光子计数方法是利用弱光照射下光电倍增管输出电流信号自然离散化的特征，采用了脉冲高度甄别技术和数字计数技术。
与模拟检测技术相比有以下优点：1．测量结果受光电倍增管的漂移、系统增益的变化及其它不稳定因素影响较小。
2．基本上消除了光电倍增管高压直流漏电流和各倍增级的热发射噪声的影响，提高了测量结果的信噪比。
可望达到由光发射的统计涨落性质所限制的信噪比值。
3．有比较宽的线性动态范围。
4．光子计数输出是数字信号，适合与计算机接口作数字数据处理。
因此采用光子计数技术，可以把淹没在背景噪声中的微弱光信息提取出来。
目前一般光子计数器的探测灵敏度优于10－17W ，这是其它探测方法所不能比拟的。
【实验目的】1．介绍这种微弱光的检测技术；了解GSZFS-2B 实验系统的构成原理。
2．了解光子计数的基本原理、基本实验技术和弱光检测中的一些主要问题。
3．了解微弱光的概率分布规律。
【实验原理】1．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ν相对应。
一个光子的能量0E 可由下式决定： 0/E h hc νλ== （1）式中c =3×108m/s ，是真空中的光速；h ＝6.6×10－34J s ⋅，是普朗克常数。
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。
光电倍增管的工作原理如图2所示。
图2光电倍增管的工作原理2.3.2弱光时电倍增管输出信号的特征：光电子脉冲（单光子脉冲，单光电子脉冲）在弱光下光电倍增管输出的光电子脉冲基本上不重叠，所以光子计数实际上是将光电子产生的脉冲逐个记录下来的一种探测技术。
当然，从统计意义上说也是单光子计数。
当光强降到10-16W左右时，尽管光信号是由一连续发光的光源发出的，而光电倍增管输出的信号却是一个个离散的尖脉冲，光子流量与这些脉冲的平均计数率成正比。
只要用计数的方法测出单位时间内的光电子脉冲数，就相当于检测了光的强度。
用高频示波器可以观察到光电倍增管输出信号波形。
图3是用TDS 3032B高频荧光示波器（300MHz）观察到的光电倍增管输出信号经过放大器后的波形。
当入射光功率Pi≈10－11W 时，光电子信号是一直流电平并叠加有闪烁噪声（a）；当Pi≈10-12W时，直流电平减小，脉冲重叠减小，但仍存在基线起伏（b）；当光强继续下降到Pi≈10-13W时，基线开始稳定，重叠脉冲极少（c）；当Pi≈10-14W时，脉冲无重叠，基线趋于零（d）。
图3 不同光强下光电倍增管输出信号波形2.3.5光电管热噪声与光电管脉冲高度分布（PHD）光电倍增管由于光阴极和各倍增极的热电子发射、光反馈、宇宙射线等，都会在阳极输出一个电脉冲，它与入射光的存在与否无关，称为暗电流脉冲（热噪声，暗计数），热噪声脉冲高度与光电子信号的脉冲高度有如下关系：（1）倍增极热电子发射的脉冲高度小于光信号的脉冲高度，其脉冲数很大；（2）光阴极热电子发射的脉冲高度等于光信号的脉冲高度，其脉冲数很少；（3）宇宙射线激发输出的脉冲高度大于光信号的脉冲高度，其脉冲数很少。
光电倍增管输出的噪声、信号及信号加噪声的脉冲高度分布（PHD），如图4所示。
热电子受倍增的次数比光电子少，因此它们在阳极上形成的脉冲大部分幅度较低。
脉冲幅度较小的主要是热发射噪声信号，而光阴极发射的电子（包括热发射电子和光电子）形成的脉冲，它的幅度大部分集中在横坐标的中部，出现“单光电子峰”。
适合光子计数用的光电倍增管在脉冲高度分布图上需要具备明显的单光子峰（在增加测量光强时会出现双光子峰）。
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（见后），调节甄别器阀值V，使V>V1，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4光电倍增管的脉冲高度分布 图5甄别器的作用a 放大后b 甄别2.3.6光子计数器的噪声，总计数Nt ，暗计数Rd ，光计数Np 及信噪比SNR光电倍增管的主要噪声来自光电阴极和最初几个打拿极的热电子发射。
光电倍增管阴极的冷却可以有效地降低暗计数，残留的暗计数可以认为是起因于PMT 材料的放射性衰变及宇宙射线。
泊松统计噪声: 用光电倍增管探测热光源发射的光子，相邻光子打到热阴极上的时间间隔t 是随机的，对于大量粒子服从泊松分布，即在探测到某个光子后的时间间隔t 内，探测到n 个光子的几率P （n ，t ）为()(,)!!n Rt n nRt e N e p n t n n ηη--== (4) 其中，η是光电倍增管的量子效率，R 是平均光子流量（光子计数率）。
N=ηRt 是时间间隔t 内光电倍增管的光阴极发射的光电子平均数（平均光子计数）。
暗计数N d : 在没有入射光时，光电倍增管光阴极和各倍增极还有热电子发射，即暗记数。
以R d 表示光电倍增暗计数率，N d =R d t . 在相同的时间间隔t 内，分别测量背景计数N d 和总计数N t ，则信号计数为N p ，N d =R d t ，光计数N p =Nt-N d =ηRt ，按误差理论，测量结果的信噪比为()p t d SNR N N N η==-= (5)由以上噪声分析可见，为提高信噪比，可增加测量时间间隔t 。
2.5脉冲高度甄别器，光电管脉冲幅度分布积分曲线与微分曲线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V h 。
如图5所示，当输出脉冲高度高于甄别电平V h 时，甄别器就输出一个标准脉冲；当输入脉冲高度低于V h 时，甄别器无输出。
图6为光电倍增管输出的脉冲计数率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。
如果把甄别电平选在与图6中谷点对应的脉冲高度V h 上，这就弃除了大量的噪声脉冲，而对光电子脉冲影响较小，大大提高了信噪比。
因此，V h 称为最佳甄别（阈值）电平。
当用单电平的脉冲高度甄别器鉴别输出时，对应某一电平值V ，得到的是脉冲幅度大于或等于V 的脉冲总计数率，因而只能得到积分曲线（见图7），其斜率最小值对应的V 就是最佳甄别（阈值）电平V h，在高于最佳甄别电平V h的曲线斜率最大处的电平V对应单光电子峰。
从积分曲线可以得到微分曲线，具体方法见实验步骤2图6光电倍增管脉冲幅度分布的微分曲线图7光电倍增管脉冲幅度分布积分曲线3实验仪器及参数3.1 SGD-2单光子计数实验仪结构（图8）光源:用高亮度发光二极管作光源，波长中心500nm，半宽度30nm。
为提高入射光的单色性，仪器准有窄带滤光片，其半宽度为18nm。
接收器:接收器采用CR125光电倍增管为接收器。
实验采用半导体致冷器降低光电倍增管的工作温度，最低温度可达-20℃图8 SGD-2单光子计数实验仪3.2光路: 系统的光路（图9）图9系统的光路3.3弱光的控制和入射光功率的测量为了控制入射光的光子流量，减小杂散光的影响和降低背景计数，在光电倍增管前设置了一个光阑筒，内设光阑三片。
另外在筒的另一端有用来连接减光片的螺纹接口，实验中可根据需要放置减光片、窄带滤光片等。
主要本系统备有减光片4组，窄带滤光片1块，参数如下：表2减光片、窄带滤光片参数(具体参数见仪器说明书）为了标定入射到光电倍增管上的光功率P 0，本实验先用光功率计测出入射到半透半反镜上的光功率 P i ，并按光学方法计算P 0012/i P At KP α=ΩΩ （6）其中，A —窄带滤光片的透过率（衰减系数）（表2），T —减光片的透过率，如果有三个减光片，T=t 1t 2t 3（表2），α=（1-x ）N ，N 为光路中镜片反射面数（只计窄带滤光片和减光片的数目，一片计两面），x 为光学元件反射率(一般为2%-5%，本实验取2%)，K —半透半反镜的透过率(为半透半反镜的透过率和反射率之比，SGD-2型单光子计数实验系统实验讲义)（表2）。
Ω1为功率计接收面积相对于光源中心所张的立体角，Ω2为光电倍增管前的光阑面积相对于光源中心所张的立体角。
22111/r S πΩ=，r 1 = 3mm ，S 1=128；22222/r S πΩ=，r 2 = 1.5mm ，S 2=480，Ω1/Ω2=0.018接收光功率P 0也可通过光子计数方法，按下式计算0/p p P E R η=⋅ （7）E P 为本实验所用单色光子在500nm 处的能量E P =4×10-19J ，η=0.15是光电倍增管（CR125型）对500nm 波长光子的量子效率，R p 是光电子计数率（等于光计数N P 除以积分时间）。
4. 实验内容4.1仪器准备。
（1）开启电脑主机和显示器，将GSD-2单光子计数实验系统（微弱光探测仪）USB 与电脑连接，打开外光路2的上盖，查看磁力表座及挡光筒是否放入光路中，在光阑筒右端，可根据需要放置减光片、窄带滤光片等。
系统备有减光片4组，窄带滤光片1块，半透半反镜1块已安装好，参数见仪器说明书。
（2）开启GSD-2单光子计数实验仪“电源”（位于仪器的左侧），光电倍增管预热30分钟。
（3）开启“功率测量”在20μW 量程进行严格调零；开启“光源指示”，电流调到0，读出“功率测量”指示的P 值。
4.2测量光电倍增管输出脉冲幅度分布的积分曲线和微分曲线，确定并记录测量弱光时的最佳甄别电平（最佳阈值）V h 。
(1）选择光电倍增管输出的光电信号是分立尖脉冲的光源条件（功率10-14~10-16，见后面表3）。
