單光子計數(shù)-呂茂文

1、單光子計數(shù)實驗系統(tǒng)的研究單光子計數(shù)實驗系統(tǒng)的研究 指導(dǎo)老師：熊狂煒 學(xué)生姓名：呂茂文 專業(yè)：光信息科學(xué)與技術(shù)1.1 單光子計數(shù)的發(fā)展單光子計數(shù)的發(fā)展l近30年來,在研究宏觀和微觀世界的過程中,科學(xué)家們不斷開發(fā)能把淹沒在噪聲的大量有用信息檢測出來的理論和方法,通過不斷的系統(tǒng)化,完整化,從而形成了一種新的微弱信號檢測的方法-單光子計數(shù)法。 1.2 單光子計數(shù)的應(yīng)用單光子計數(shù)的應(yīng)用 光子計數(shù)成像技術(shù) ，測量長余輝材料的發(fā)光 ，單光子測距,天文測光，大氣測污，分子生物學(xué),光時域反射,超高分辨率光譜學(xué)，非線性光學(xué)等現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。 2.1 單光子計數(shù)實驗系統(tǒng)和原理單光子計數(shù)實驗系統(tǒng)和原理

2、 l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，通過負載電阻形成一個電壓脈沖，即單光子脈沖。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2-1所示。 圖：21 電倍增管輸出脈沖分布 圖2-1中脈沖幅度較小的主要是倍增極產(chǎn)生的熱反

3、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”。用脈沖幅度甄別器把幅度低于甄別電平的脈沖抑制掉，只讓幅度高于甄別電平的脈沖通過就能實現(xiàn)單光子計數(shù)。 2.2 實驗原理圖實驗原理圖 圖 22 單光子計數(shù)器原理框圖 如圖2-2：入射光子經(jīng)光電倍增管形成光電子脈沖和噪聲脈沖，經(jīng)放大器把光電子脈沖和噪聲脈沖線性放大。在甄別器中設(shè)置一個連續(xù)可調(diào)的參考電壓V。如在圖2-1中，把參考電壓設(shè)置在谷點對應(yīng)的脈沖高度山，就能去掉大部分噪聲脈沖而只有光電子脈沖通過，最后由計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)。3.1 確定最佳甄別電壓確定最佳甄別電壓l信噪比:是有用信號成份的有效值和噪

4、聲成份有效值的比值。l我們用公式表示： A-B=(信號+背景)-背景=信號 A+B=(信號+背景)+背景=總計數(shù) l閾值方式下，在外界功率P=0.02uw，積分時間為60，我們得到以下實驗結(jié)果。l在上面的實驗結(jié)果圖中，我們找到了最佳信噪比SNR=134.9877273 ，此時對應(yīng)的閾值電壓就是最佳甄別電壓V=270mv。3.2 最佳甄別電壓是固有屬性最佳甄別電壓是固有屬性l1：同一積分下，改變外界功率p，表: PSNRVmaxPSNRV最佳甄別電壓:190mv280mvl2：同一功率，不同積分時間下，我們得到以下結(jié)果。這里功率設(shè)定為P=0.04uw。 表：tSNRV3.3 時間方式下，以最佳甄

5、別電壓觀察光子計數(shù)率的變化時間方式下，以最佳甄別電壓觀察光子計數(shù)率的變化 l在積分時間t=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)情況，得到如圖3-4 圖：31l時間方式，即使是相同的閾值，每次測試的數(shù)據(jù)有著一定程度上的波動，這主要是光源的波動以及光子發(fā)射的隨機性引起的，但是對整體的計數(shù)結(jié)果影響并不大。l閾值方式，并沒有出現(xiàn)理論上的單光子峰，這主要是由光源的不穩(wěn)定造成，理論上的單光子峰是以光源的絕對穩(wěn)定為前提的，因此理論和實踐中的數(shù)據(jù)有一定程度的區(qū)別。l另外由于暗噪聲始終存在，因此最佳閾值的判斷本身肯定存在著誤差，這就意味著計數(shù)不可能

6、非常的精確，但只要保證數(shù)量級上的穩(wěn)定，對實際應(yīng)用還是有較大的借鑒意義。3.4 外界光功率外界光功率P和光計數(shù)率和光計數(shù)率Rp之間的關(guān)之間的關(guān)系系 l模式：時間方式 ；采集間隔：1000ms；起點：0ms；終點：10000ms；閾值：4；高壓：8 冷卻電流：4.0A。l如圖3-5所示。 圖 32l在理論上，即在無噪聲計數(shù)時,光子計數(shù)率Y與外界功率X成完全線性關(guān)系，即Y=kX，k是常數(shù)。而在實際計數(shù)時，卻并非是完全線性關(guān)系。在當(dāng)光功率很小時,由于噪聲計數(shù)占多數(shù),實際光子計數(shù)率大于理論光子計數(shù)率;當(dāng)光功率很大時,光電倍增管輸出脈沖會出現(xiàn)重疊現(xiàn)象，實際光子計數(shù)率小于理論光子計數(shù)率.所以實際光子計數(shù)率Y

7、與外界功率X不可能完全成線性關(guān)系。3.5 外界光功率和最佳信噪比之間的曲線關(guān)外界光功率和最佳信噪比之間的曲線關(guān)系系 l在t=3，閾值方式，改變外界光功率， 表：PSNRl根據(jù)上表的數(shù)據(jù)，我們用Origin軟件合成了它們之間的曲線關(guān)系： 圖 33l如圖3-3所示，在積分時間t=3的實驗條件下測得的P-SNR基本呈線性變化，在曲線初段我們看到，曲線并不像我們所預(yù)測的直線變化，這主要是功率在較小時，噪聲功率占了主要地位，隨著外界光功率的不斷增大，光計數(shù)率逐漸占領(lǐng)了主要地位，隨后噪聲功率對信噪比的影響越來越小。外界光功率和最佳信噪比是大致線性關(guān)系變化。 3.6 積分時間積分時間t和信噪比和信噪比SNR的關(guān)的關(guān)系系 l我們?nèi)》e分值分別為：t=3，10，15，采用和前面的實驗方法，