单光子计数实验

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P 0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Ep 与光波频率ν的关系是νh Ep = (1) 光子流量R 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P 表示，单位为W 。

单色光的光功率P 与光子流量R 的关系是PRE P = (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。

单光子计数实验讲义一 实验目的1. 掌握使用光子技术的方法对微弱信号进行检测及实验的操作过程;2. 2.了解光子计数方法的基本原理光电倍增管〔PMT 〕的工作原理。

二 实验仪器光源，PMT ，制冷器，外光路,电脑。

三 实验原理在弱光信号检测中，当光强微弱到一定程度时，光的量子特征开始突出起来。

例如：He-Ne 激光光源，其每个光子的能量为 10-19焦耳。

当光功率小于10-11瓦时，相当光子的发射率为108光子数/秒，即光子的发射周期约为10-8秒，刚好是PMT 输出脉冲可分辨的极限宽度〔即PMT 响应时间〕。

这样，PMT 的输出呈现出脉冲序列的特点，可测得一个个不重叠的光子能量脉冲。

光子计数器就是利用光信号脉冲和噪声脉冲之间的差异，如幅度上的差异，通过一定的鉴别手段进行工作，从而到达提高信噪比的目的。

单光子试验框图入图1所示。

〔一〕基本原理单光子计数法利用在弱光下光电倍增管输出信号自然离散化的特点，采用精密的脉冲幅度甄别技术和数字计数技术，可把淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。

当弱光照射到光电子阴极时，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。

如图1所示，横坐标表示PMT 输出的噪声与单光子的幅度电平〔能量〕，纵坐标表示其幅度电平的分布概律。

可见，光电子脉冲与噪声分布位置不同。

由于信号脉冲增益相近，其幅度相当好的集中在一个特定的范围内，光阴机反射的电子形成的脉冲幅度较大，图1 单光子实验框图图2 PMT 输出脉冲分布而噪声脉冲则比较分散，它在阳极上形成的脉冲幅度较低，因而出现了“单光电子峰”。

用脉冲幅度鉴别器把幅度低于的脉冲抑制掉，只让幅度高于的脉冲通过就实现了单光子计数。

放大器的功能是把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大，应友谊顶的增益，上升时间≤3ns，这就要求放大大器的通频带宽到达100MHz，并且有较宽的线性动态范围和较低的热噪声，经过放大后的信号要便于脉冲幅度鉴别器的鉴别。

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。

引言：单光子计数实验是现代光子学研究中一项重要的技术手段，可以用于精确测量光子的数量和计数。

本文是对单光子计数实验的进一步探索和研究的报告，主要介绍了实验的设备和方法，以及实验过程中所遇到的问题和解决方法。

通过这些实验数据和分析结果，我们可以对单光子计数实验的原理和应用有更深入的了解，为相关研究和技术应用提供参考。

正文内容：一、实验设备和方法1.实验装置：我们采用了型光子计数器作为主要的实验装置。

该光子计数器具有较高的计数精度和稳定性，可以实现单光子计数和时间分辨测量。

2.实验光源：为了获得单光子信号，我们使用了一台型激光器。

该激光器可以发射高稳定度和窄脉冲宽度的光子，适用于单光子计数实验。

3.实验样品：我们选择了一种具有较高荧光量子效率的荧光物质作为实验样品。

通过调节样品的浓度和吸光度，我们可以控制单光子计数的强度和分布。

4.实验控制系统：为了实现精确控制和数据采集，我们采用了一个先进的实验控制系统。

该系统可以实时监测光子计数器的计数和时间，以及控制实验参数的设置。

二、实验过程和数据分析1.实验准备：在进行实验之前，我们需要对实验装置和控制系统进行校准和调试，确保实验的准确性和可靠性。

3.数据分析：通过对实验数据的分析，我们可以得到单光子计数的数据分布和统计特性。

在数据分析过程中，我们采用了一系列数学方法和统计模型，例如：泊松分布，高斯分布等等。

4.结果验证：为了验证实验结果的可靠性，我们进行了重复实验，并与模拟结果进行对比分析。

通过小概率事件的比较和实验误差的评估，我们可以确定实验的可信度和准确性。

5.实验拓展：在实验过程中，我们遇到了一些问题和挑战，例如：背景光噪声的影响，光子计数器的非线性等。

通过改进实验方法和技术手段，我们不断优化实验流程，并获得了更精确和可靠的实验结果。

三、实验结果和讨论1.单光子计数分布图：我们通过实验数据和分析，得到了单光子计数的分布图。

该分布图呈现出明显的峰值和尾部，符合光子计数的统计特性。

实验十七单光子计数实验光子计数也就是光电子计数，即当光流强度小于10−16W时，光的光子流量可降到一毫秒内不到一个光子，因此该实验系统要完成的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．它是微弱光信号探测中的一种新技术。

它可以探测弱到光能量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。

通常的直流检测方法不能把淹没在噪声中的信号提取出来。

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f0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，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。

所以采用光子计数技术，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。

一、实验目的1、介绍这种微弱光的检测技术；了解SGD-2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。

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，。

近代物理实验报告指导教师：得分：实验时间： 2009 年 MM 月 DD 日，第 WW 周，周 DD ，第 5-8 节实验者：班级材料0705 学号 200767025 姓名童凌炜同组者：班级材料0705 学号 2007670 姓名车宏龙实验地点：综合楼506实验条件：室内温度℃，相对湿度 %，室内气压实验题目：单光子计数实验实验仪器：（注明规格和型号）CR125型光电倍增管，电子放大系统，光源系统（高亮度发光二极管），制冷系统，计算机系统实验目的：1.了解一些微弱光信号测量的基本思想和方法。

2.了解光电倍增管应用中的一些主要问题。

3.掌握单光子技术的基本原理和技术。

实验原理简述：1.光子流，光强光是由光子组成的光子流，光子是静止质量为0，有一定能量的粒子。

一个光子的能量为:，若光信号的光子流为R（光子数每秒），光信号的强度P可以表示为：P=RE。

故测量光信号的光强是，只要测得光信号的光子流R，即可得到该信号的强度P。

2.光电倍增管及其弱光输出信号的特征2.1光电倍增管的工作原理及结构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。

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R1上建立一个电压脉冲，称为“单光子脉冲”。

如果入射光很弱，入射的光几乎是一个个离散地入射到光阴极上的，则在阳极上得到一系列分立的脉冲信号。

即光电倍增管输出的光电信号是分立的尖脉冲，这些脉冲的平均计数效率与光子的流量成正比。

2.2光电倍增管的光谱响应特性光阴极受特定波长的光照射时，光阴极发射的光电子数与入射光子数之比称为量子效率η，其与入射光波长的关系称为光谱响应特性，与光阴极材料，光窗口材料和倍增极的放大倍数有关。

2.3单光子脉冲设只有一个入射光子，且量子效率为1，这个光子打到光阴极上发出一个电子。

这个光电子经过系统倍增放大后，最终在阳极回路中形成一个电流脉冲，通过负载电阻RL形成一个电压脉冲，这个脉冲称为“单光子脉冲”2.4测量弱光时，光电倍增管输出信号的特征当光源十分微弱时，入射的光子是一个一个离散地入射到光阴极上的，则在阳极输出回路上得到的也是一个一个分离的脉冲信号。

图1 光电倍增管的工作原理图 单光子计数实验现代光测量技术已步入极微弱发光分析时代。

在诸如生物微弱发光分析、化学发光分析、发光免疫分析等领域中，辐射光强度极其微弱，要求对所辐射的光子数进行计数检测。

对于一个具有一定光强的光源，若用光电倍增管接收它的光强，如果光源的输出功率及其微弱，相当于每秒钟光源在光电倍增管接收方向发射数百个光子的程度，那么，光电倍增管输出就呈现一系列分立的尖脉冲，脉冲的平均速率与光强成正比，在一定的时间内对光脉冲计数，便可检测到光子流的强度，这种测量光强的方法称为光子计数。

[实验目的]1、了解光电倍增管及光子计数工作原理。

2、掌握GSZF-2A 单光子计数实验系统的操作。

3、了解光子计数在实际工程中的应用。

[实验原理]1．电倍增管的工作原理。

光电倍增管是一个由光阴极、阳极和多个倍增极(亦称打拿极)构成的特殊电子管。

它的前窗对工作在可见光区及近紫外区的用紫外玻璃：而在远紫外区则必须使用石英。

(1)光阴极：光阴极的作用是将光信号转变成电信号，当外来光子照射光阴极时，光阴极便可以产生光电子。

产生电子的多少与照射光的波长及强度有关。

当照射光的波长一定时，光阴极产生光电流的强度正比于照射光的强度，这是光电倍增管测定光强度的基础。

各种不同的光电倍增管具有不同的光谱灵敏度。

目前很少用单一元素制作光阴极，常用的有AgOCs 、Cs3Sb 、BiAgOCs 、Na2KSb 、K2CsSb 等由多元素组成的光阴极材料。

(2)倍增极：倍增极也称打拿极，所用的材料与阴极相同。

倍增极的作用实质上是放大电流，即在受到前一级发出的电子的打击后能放出更多的次级电子。

普通光电倍增管中倍增极的数目，一般为11个，有的可达到20个。

倍增极数目越大，倍增极间的电位降越大，PMT 的放大作用越强。

(3)阳极：大部分由金属网做成，置于最后一级打拿级附近，其作用是接受最后一个倍增极发出的电子。

但接受后，不象倍增极那样再射出电子，而是通导线以电流的形式输出。

单光子计数实验教案所谓弱光是指光流强度比用作探测器的光电倍增管本身的热噪声水平（1410-W ）还低，用一般的直流检测方法已无法检出其信号的强度。

单光子计数法利用在弱光照射下光电倍增管输出信号自然离散化的特点，采用精密的脉冲幅度甄别技术和数字计数技术，可把淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来。

一、实验目的本实验的目的是介绍这种弱光检测技术。

通过实验使学生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。

二、实验原理1. 光子的概念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g 相对应,一个光子的能量P E 可有下式确定:p hc E hn l== （1） 式中ｃ＝81310m s -´g是真空中的光速；h=6.61910J s -´g J.S 为普朗克常数。

单色光的光功率用P 表示，单位为W 。

单色光的光功率与光子流量R （单位时间内通过某一截面的光子数量）的关系为＝p P R E g，所以，只要能测得光子的流量R ，便可得到光流强度。

2. 光电倍增管及其在探测弱光时输出信号的特征1) 光电倍增管（英文简称PMT）的结构与工作原理一个典型的PMT的结构如图1所示，其供电原理如图2所示。

图1 光电倍增管结构图2 光电倍增管的负高压供电及阳极电路当一个光子入射到光阴极K上，可能使光阴极上逸出几率 称为量子效率。

这个光电子在加速电压作用下飞向第一倍增极打出m个次级电1子。

这些电子继续被更高的电压加速而飞向第二倍增极。

若每一前级光电子打出m个次级电子，如此下去，到达阳极时总电子数可由倍增管2的效益121...n n A m m m m -= （2）给出，式中n 为倍增级的数目。

如是，当光阴极上逸出一个光电子，将在阳极回路中输出电荷191.610a Q A -=⨯⨯库仑。

由于各光电子到达一倍增极的时间和路径不完全相同（称为渡越时间的离散）而使输出的阳极电流脉冲/a dQ dt 呈一定的宽度R τ[图3（a ）]。

五、数据处理
1.选择阈值模式，测量暗计数率和光计数率曲线
常温下的暗计数率和光计数率曲线：
光计数
暗计数
低温（4℃）下的暗计数率和光计数率曲线：
光计数
暗计数
由以上结果可以看出，在低温情况下，热电子对光计数的影响更小。

这是由于低温下，电子平均速率更小，影响计数的逸出电子数量更少的缘故。

2.选择时间模式，分别改变积分时间和采样时间，记录电流、功率和单光子计数率
测量了采样时间和积分时间分别为：1000ms，1000ms；500ms，500ms；1000ms，500ms的光子计数率-时间曲线。

下图是采样时间为1000ms，积分时间为1000ms的条件下的光子计数率-时间曲线：
3.作出光功率-光子计数率曲线
（1）采样时间：1000ms 积分时间：1000ms
功率uw 1 2.7 4.1 5.3 6.7 8 9.1 10.2 11.1 12.4 光子数7563 18471 28981 39563 51712 63213 73801 84685 93217 106387 （2）采样时间：500ms 积分时间：500ms
功率uw 1.1 2.6 4 5.4 6.7 8 9.1 10.2 11.1 12．1 光子数4083 8910 14590 20225 25686 31562 36846 41997 46690 51839。