生物光子學(xué)4-02

1、主講人：劉立新西安電子科技大學(xué)第第 4 章章生物光子學(xué)中的測(cè)量技術(shù)生物光子學(xué)中的測(cè)量技術(shù)24.1 光源光源4.2 光電探測(cè)器光電探測(cè)器4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)本本 章章 內(nèi)內(nèi) 容容3 生物光子學(xué)探測(cè)的生物光子學(xué)探測(cè)的應(yīng)用對(duì)象應(yīng)用對(duì)象為生物組織，其探測(cè)具有特為生物組織，其探測(cè)具有特殊性：主要特點(diǎn)為殊性：主要特點(diǎn)為信噪比和組織的混沌性信噪比和組織的混沌性導(dǎo)致的光子行導(dǎo)致的光子行進(jìn)路徑的分散性，造成探測(cè)信號(hào)的微弱，主要原因：進(jìn)路徑的分散性，造成探測(cè)信號(hào)的微弱，主要原因： 盡管大功率激光器容易獲得，盡管大功率激光器容易獲得，可用于生物醫(yī)學(xué)探測(cè)尤其是活體可用于生物醫(yī)學(xué)探測(cè)尤其

2、是活體探測(cè)的光能量是有限制的探測(cè)的光能量是有限制的； 生物組織體是高散射體，需要探測(cè)吸收變化產(chǎn)生的微弱信號(hào)，生物組織體是高散射體，需要探測(cè)吸收變化產(chǎn)生的微弱信號(hào)，而散射和吸收都會(huì)造成光的損失，問(wèn)題是而散射和吸收都會(huì)造成光的損失，問(wèn)題是如何從一個(gè)大的散射如何從一個(gè)大的散射背景內(nèi)提取微弱的吸收變化信息背景內(nèi)提取微弱的吸收變化信息； 待測(cè)信號(hào)淹沒(méi)在噪聲中待測(cè)信號(hào)淹沒(méi)在噪聲中，該噪聲一方面來(lái)自探測(cè)系統(tǒng)，一方面，該噪聲一方面來(lái)自探測(cè)系統(tǒng)，一方面來(lái)自生物體其他生理參數(shù)的變化對(duì)所感興趣的信號(hào)的干擾。來(lái)自生物體其他生理參數(shù)的變化對(duì)所感興趣的信號(hào)的干擾。 為了進(jìn)行穩(wěn)定和精確測(cè)量，需要從噪聲中為了進(jìn)行穩(wěn)定和精確測(cè)

3、量，需要從噪聲中提取、恢復(fù)和提取、恢復(fù)和增強(qiáng)增強(qiáng)被測(cè)信號(hào)的技術(shù)。被測(cè)信號(hào)的技術(shù)。4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)44.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)4.3.1 4.3.1 探測(cè)器的噪聲探測(cè)器的噪聲噪聲噪聲 外部原因外部原因 內(nèi)部原因內(nèi)部原因 人為噪聲人為噪聲 自然噪聲自然噪聲散粒噪聲散粒噪聲 產(chǎn)生復(fù)合噪聲產(chǎn)生復(fù)合噪聲 光子噪聲光子噪聲 熱噪聲熱噪聲 低頻噪聲低頻噪聲 溫度噪聲溫度噪聲 放大器噪聲放大器噪聲 5研究如何從噪聲中提取信號(hào)研究如何從噪聲中提取信號(hào) ？探測(cè)器噪聲探測(cè)器噪聲 1、散粒噪聲：、散粒噪聲：無(wú)光照下，由于無(wú)光照下，由于熱激發(fā)熱激發(fā)作用，而作

4、用，而隨機(jī)隨機(jī)地產(chǎn)生電子所造成地產(chǎn)生電子所造成的的起伏起伏（以光電子發(fā)射為例）。（以光電子發(fā)射為例）。散粒噪聲是白噪聲，與頻率無(wú)關(guān)；散粒噪聲是白噪聲，與頻率無(wú)關(guān)；存在于所有光電探測(cè)器中；存在于所有光電探測(cè)器中；熱激發(fā)散粒方均噪聲電流為：熱激發(fā)散粒方均噪聲電流為：其有效值為其有效值為：相應(yīng)的噪聲電壓為：相應(yīng)的噪聲電壓為：如果探測(cè)器具有內(nèi)增益如果探測(cè)器具有內(nèi)增益M，則上式還應(yīng)乘以，則上式還應(yīng)乘以M。 feiidn 22feiIdn222fReiVdn4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)6id：暗電流平均值；：暗電流平均值；f：測(cè)試或工作頻率；：測(cè)試或工作頻率；f：頻譜寬度：頻譜寬度

5、.2、產(chǎn)生復(fù)合噪聲、產(chǎn)生復(fù)合噪聲 半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生半導(dǎo)體受光照，載流子不斷產(chǎn)生復(fù)合。復(fù)合。不僅有載流不僅有載流子產(chǎn)生的起伏，而且還有載流子復(fù)合的起伏，子產(chǎn)生的起伏，而且還有載流子復(fù)合的起伏，這樣就使起這樣就使起伏加倍，雖然本質(zhì)也是散粒噪聲，但為強(qiáng)調(diào)產(chǎn)生和復(fù)合兩伏加倍，雖然本質(zhì)也是散粒噪聲，但為強(qiáng)調(diào)產(chǎn)生和復(fù)合兩個(gè)因素，取名為產(chǎn)生個(gè)因素，取名為產(chǎn)生復(fù)合散粒噪聲，簡(jiǎn)稱為產(chǎn)生復(fù)合散粒噪聲，簡(jiǎn)稱為產(chǎn)生復(fù)合復(fù)合噪聲，記為噪聲，記為Ig-r和和Vg-r即即M是光電導(dǎo)的內(nèi)增益。是光電導(dǎo)的內(nèi)增益。24g rdIei MffMReiVdrg2244.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)73

6、.光子噪聲光子噪聲 以上是熱激發(fā)作用產(chǎn)生的散粒噪聲。假定忽略熱激發(fā)作用，即認(rèn)為以上是熱激發(fā)作用產(chǎn)生的散粒噪聲。假定忽略熱激發(fā)作用，即認(rèn)為熱激發(fā)直流電流熱激發(fā)直流電流id為零。為零。 由于光子本身也服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。我們平常說(shuō)的恒定光功率，實(shí)際上由于光子本身也服從統(tǒng)計(jì)規(guī)律。我們平常說(shuō)的恒定光功率，實(shí)際上是光子數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值，而每一瞬時(shí)到達(dá)探測(cè)器的光子數(shù)是隨機(jī)的。是光子數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均值，而每一瞬時(shí)到達(dá)探測(cè)器的光子數(shù)是隨機(jī)的。 因此，光激發(fā)的載流子一定也是隨機(jī)的，也要產(chǎn)生起伏噪聲，即散因此，光激發(fā)的載流子一定也是隨機(jī)的，也要產(chǎn)生起伏噪聲，即散粒噪聲。因?yàn)檫@里強(qiáng)調(diào)光子起伏，故稱為粒噪聲。因?yàn)檫@里強(qiáng)調(diào)光子起伏

7、，故稱為光子噪聲光子噪聲。 它是探測(cè)器的極限噪聲，不管是信號(hào)光還是背景光，都要伴隨著光它是探測(cè)器的極限噪聲，不管是信號(hào)光還是背景光，都要伴隨著光子噪聲，而且光功率愈大，光子噪聲也愈大。子噪聲，而且光功率愈大，光子噪聲也愈大。于是我們只要把于是我們只要把id用用ib和和is代替，即可得到光子噪聲的表達(dá)式。代替，即可得到光子噪聲的表達(dá)式。4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)8即即光子散粒噪聲光子散粒噪聲電流電流這適用于光電發(fā)射和光伏情況，如果有內(nèi)增益，再乘以這適用于光電發(fā)射和光伏情況，如果有內(nèi)增益，再乘以M。 而而光電子產(chǎn)生光電子產(chǎn)生復(fù)合噪聲復(fù)合噪聲 考慮到考慮到id、ib和和is

8、的共同作用，的共同作用，光電探測(cè)器的總散粒噪聲光電探測(cè)器的總散粒噪聲可統(tǒng)可統(tǒng)一表示為一表示為feiIbnb2feiIsns2fMeiIbrbg24fMeiIsrsg2421/2()ndbsISe iii MfS =2 (光電發(fā)射和光伏光電發(fā)射和光伏)或或S=4 (光電導(dǎo)光電導(dǎo))M內(nèi)增益系數(shù)內(nèi)增益系數(shù)(無(wú)內(nèi)增益無(wú)內(nèi)增益=1) 4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)94、熱噪聲、熱噪聲 電阻材料，即使在恒定的溫度下，其內(nèi)部的自由載流子數(shù)目及運(yùn)電阻材料，即使在恒定的溫度下，其內(nèi)部的自由載流子數(shù)目及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也是隨機(jī)的，由此而構(gòu)成無(wú)偏壓下的起伏電動(dòng)勢(shì)。動(dòng)狀態(tài)也是隨機(jī)的，由此而構(gòu)成無(wú)偏壓下的

9、起伏電動(dòng)勢(shì)。盡管其平均盡管其平均值為零，但瞬時(shí)電流擾動(dòng)在導(dǎo)體兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)均方根電壓，稱為熱值為零，但瞬時(shí)電流擾動(dòng)在導(dǎo)體兩端會(huì)產(chǎn)生一個(gè)均方根電壓，稱為熱噪聲電壓。噪聲電壓。 這種由載流子的熱運(yùn)動(dòng)引起的起伏就是電阻材料的這種由載流子的熱運(yùn)動(dòng)引起的起伏就是電阻材料的熱噪聲熱噪聲，或稱，或稱為為約翰遜（約翰遜（Johnson）噪聲）噪聲。 熱噪聲是由導(dǎo)體或半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)熱激發(fā)的波動(dòng)而引起的。熱噪聲是由導(dǎo)體或半導(dǎo)體中載流子隨機(jī)熱激發(fā)的波動(dòng)而引起的。其大小與電阻的阻值、溫度及工作帶寬有關(guān)。其大小與電阻的阻值、溫度及工作帶寬有關(guān)。熱噪聲存在于任何電阻熱噪聲存在于任何電阻中中，熱噪聲與溫度成正比，與頻率

10、無(wú)關(guān)，熱噪聲又稱為，熱噪聲與溫度成正比，與頻率無(wú)關(guān)，熱噪聲又稱為白噪聲白噪聲。有效熱噪聲電壓和電流有效熱噪聲電壓和電流分別為分別為fKTRuVnn4224/nnIiKT fR4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)10K：玻耳茲曼常數(shù)；：玻耳茲曼常數(shù)；T：熱力學(xué)溫度：熱力學(xué)溫度. 5、1/f 噪聲噪聲 幾乎在所有探測(cè)器中都存在這種噪聲。它主要出現(xiàn)在大約幾乎在所有探測(cè)器中都存在這種噪聲。它主要出現(xiàn)在大約1kHz以以下下的低頻頻域，而且與光輻射的調(diào)制頻率的低頻頻域，而且與光輻射的調(diào)制頻率f成反比，故稱為低頻噪聲（成反比，故稱為低頻噪聲（閃爍噪聲）或閃爍噪聲）或1/f 噪聲。噪聲。1/f

11、 噪聲的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律為噪聲的經(jīng)驗(yàn)規(guī)律為 ： 實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器表面的工藝狀態(tài)（缺陷或不均勻等）對(duì)這種噪聲的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，探測(cè)器表面的工藝狀態(tài)（缺陷或不均勻等）對(duì)這種噪聲的影響很大；但一般來(lái)說(shuō)，只要限制低頻端的調(diào)制頻率不低于影響很大；但一般來(lái)說(shuō)，只要限制低頻端的調(diào)制頻率不低于1kHz，這，這種噪聲就可以防止。種噪聲就可以防止。2(/)nfiKIff實(shí)驗(yàn)測(cè)得，實(shí)驗(yàn)測(cè)得，2； 在在0.81.5之間；之間； Kf為與元件制作工藝、材料尺寸、為與元件制作工藝、材料尺寸、表面狀態(tài)等有關(guān)的比例系數(shù)；表面狀態(tài)等有關(guān)的比例系數(shù)；4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)11 鎖相放大器（鎖相放大器（lock-i

12、n amplifier，LIA） 是根據(jù)互相關(guān)檢測(cè)原理制成的相關(guān)檢測(cè)儀器。是根據(jù)互相關(guān)檢測(cè)原理制成的相關(guān)檢測(cè)儀器。采用相采用相敏檢波器（敏檢波器（phase Sensitive Detector，PSD）及積）及積分器來(lái)抑制噪聲（或壓縮等效帶寬），并檢測(cè)出周期分器來(lái)抑制噪聲（或壓縮等效帶寬），并檢測(cè)出周期信號(hào)的幅值和相位。通常又信號(hào)的幅值和相位。通常又稱相敏檢波交流電壓表稱相敏檢波交流電壓表。 一般的放大器，在放大信號(hào)的同時(shí)也將噪聲放大，因一般的放大器，在放大信號(hào)的同時(shí)也將噪聲放大，因而不能檢出湮沒(méi)在噪聲中的信號(hào)，而而不能檢出湮沒(méi)在噪聲中的信號(hào)，而鎖定放大器則能鎖定放大器則能在檢測(cè)放大信號(hào)的同

13、時(shí)，將噪聲抑制掉在檢測(cè)放大信號(hào)的同時(shí)，將噪聲抑制掉。124.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)4.3.2 鎖相放大技術(shù)鎖相放大技術(shù)12鎖相放大器的組成方框圖鎖相放大器的組成方框圖選頻選頻鎖相環(huán)鎖相環(huán)移相器移相器輸入信輸入信號(hào)號(hào)AC參考信參考信號(hào)號(hào)AC信號(hào)通道信號(hào)通道相敏檢波相敏檢波輸出信輸出信號(hào)號(hào)DC前放前放混頻乘法器混頻乘法器低通濾波器低通濾波器參考通道參考通道作用：放作用：放大、濾波。大、濾波。1 1、 鎖定放大器的工作原理鎖定放大器的工作原理鎖定放大器是利用互相關(guān)檢測(cè)原理設(shè)計(jì)的一種同步相干檢測(cè)儀，鎖定放大器是利用互相關(guān)檢測(cè)原理設(shè)計(jì)的一種同步相干檢測(cè)儀，利用利用參考信號(hào)與被測(cè)

14、信號(hào)的互相關(guān)特性，提取出與參考信號(hào)同頻率和同相參考信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的互相關(guān)特性，提取出與參考信號(hào)同頻率和同相位的被測(cè)信號(hào)位的被測(cè)信號(hào)。13作用：輸出作用：輸出方波信號(hào)。方波信號(hào)。作用：完成被測(cè)作用：完成被測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)信號(hào)與參考信號(hào)相關(guān)函數(shù)運(yùn)算，相關(guān)函數(shù)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)低通濾波。實(shí)現(xiàn)低通濾波。4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)132 2、相敏檢波器原理、相敏檢波器原理相敏檢波器原理相敏檢波器原理相敏檢波器是鎖相放大器的核心，通常由乘法器和積分器構(gòu)成。相敏檢波器是鎖相放大器的核心，通常由乘法器和積分器構(gòu)成。乘法器常采用方波作參考信號(hào)，而積分器通常由乘法器常采用方波作參考信號(hào)，而積分器

15、通常由RC低通濾波低通濾波器構(gòu)成。器構(gòu)成。144.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)14 設(shè)輸入信號(hào)為：設(shè)輸入信號(hào)為： 根據(jù)傅里葉變換，參考信號(hào)根據(jù)傅里葉變換，參考信號(hào)Vr(t)可用三角函數(shù)的形式表示。可用三角函數(shù)的形式表示。0( )cos()iV tVt1014( 1)( )cos(21)21nrnVtntn154.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù) 式右邊的第一項(xiàng)為差頻項(xiàng)，第二項(xiàng)為和頻項(xiàng)。式右邊的第一項(xiàng)為差頻項(xiàng)，第二項(xiàng)為和頻項(xiàng)。1001110011( )( )( )4( 1)cos()cos(21)212( 1)2( 1)cos(22)cos22121pirnn

16、nnnnV tV tV tVtntnVVntntnnVr(t)與與Vi(t)相乘的結(jié)果為：相乘的結(jié)果為：和頻項(xiàng)和頻項(xiàng)差頻項(xiàng)差頻項(xiàng)164.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù) 說(shuō)明被測(cè)信號(hào)通過(guò)相敏檢測(cè)器說(shuō)明被測(cè)信號(hào)通過(guò)相敏檢測(cè)器(PSD)和低通濾波器和低通濾波器(LPF)后，輸出正比于被測(cè)信號(hào)的幅度、同時(shí)正比于參考信號(hào)后，輸出正比于被測(cè)信號(hào)的幅度、同時(shí)正比于參考信號(hào)與被測(cè)信號(hào)的相位差的余弦函數(shù)，此時(shí)，輸出最大，從與被測(cè)信號(hào)的相位差的余弦函數(shù)，此時(shí)，輸出最大，從而實(shí)現(xiàn)而實(shí)現(xiàn)鑒幅和鑒相鑒幅和鑒相。 2( )cosoVVt 經(jīng)過(guò)低通濾波器（經(jīng)過(guò)低通濾波器（LPF），所有的和頻項(xiàng)與所有），所

17、有的和頻項(xiàng)與所有的差頻項(xiàng)都被慮除，最后濾波器的輸出為：的差頻項(xiàng)都被慮除，最后濾波器的輸出為： 174.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)3 3、鎖定放大技術(shù)的四個(gè)基本環(huán)節(jié)、鎖定放大技術(shù)的四個(gè)基本環(huán)節(jié) 通過(guò)調(diào)制或斬光，將通過(guò)調(diào)制或斬光，將被測(cè)信號(hào)被測(cè)信號(hào)由零頻范圍由零頻范圍轉(zhuǎn)移到設(shè)定的轉(zhuǎn)移到設(shè)定的高頻范圍內(nèi)高頻范圍內(nèi)檢測(cè)系統(tǒng)變成交流系統(tǒng)；檢測(cè)系統(tǒng)變成交流系統(tǒng)； 在在調(diào)制頻率上調(diào)制頻率上對(duì)對(duì)有用信號(hào)有用信號(hào)進(jìn)行進(jìn)行選頻放大選頻放大； 在相敏檢波中對(duì)信號(hào)解調(diào)在相敏檢波中對(duì)信號(hào)解調(diào)同步解調(diào)作用截?cái)嗔朔峭浇庹{(diào)作用截?cái)嗔朔峭皆肼曅盘?hào)，使輸出信號(hào)的帶寬限制在極窄的范圍內(nèi)；步噪聲信號(hào)，使輸

18、出信號(hào)的帶寬限制在極窄的范圍內(nèi)； 通過(guò)通過(guò)低通濾波器低通濾波器對(duì)檢波信號(hào)進(jìn)行對(duì)檢波信號(hào)進(jìn)行低通濾波低通濾波。184.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)18因?yàn)橐驗(yàn)镻SD的積分器是一的積分器是一RC濾波器，其傳遞函數(shù)為濾波器，其傳遞函數(shù)為4 4、 鎖定放大器的主要參數(shù)鎖定放大器的主要參數(shù)1 1）等效噪聲帶寬）等效噪聲帶寬若取若取RC=300s，則，則fn=8.3 10-4Hz。194.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)19其等效噪聲帶寬為其等效噪聲帶寬為211 ()KRC22001141 ()nfK dfdfRCRC 鎖定放大器輸出信號(hào)與待測(cè)信號(hào)的幅值成正比，且與待鎖

19、定放大器輸出信號(hào)與待測(cè)信號(hào)的幅值成正比，且與待測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的頻差有關(guān)。測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的頻差有關(guān)。 因此，等效帶通濾波器帶寬可以做的很窄，也就是可以因此，等效帶通濾波器帶寬可以做的很窄，也就是可以用一個(gè)用一個(gè)RC濾波器來(lái)壓縮帶寬。對(duì)于濾波器來(lái)壓縮帶寬。對(duì)于PSD的的RC低通濾波低通濾波器，其等效信號(hào)帶寬為器，其等效信號(hào)帶寬為2 2）等效信號(hào)帶寬）等效信號(hào)帶寬若仍取若仍取RC=300s，則，則fs=5.3 10-4Hz。204.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)2012sfRC如此高如此高Q的帶通濾波器是一般常規(guī)濾波器不能達(dá)到的。的帶通濾波器是一般常規(guī)濾波器不能達(dá)到的。相關(guān)器等

20、效于一個(gè)帶通濾波器，相當(dāng)于一個(gè)跟蹤濾波器。由于待相關(guān)器等效于一個(gè)帶通濾波器，相當(dāng)于一個(gè)跟蹤濾波器。由于待測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)嚴(yán)格同步，就能保證在很窄的測(cè)信號(hào)與參考信號(hào)嚴(yán)格同步，就能保證在很窄的fs下輸出信號(hào)并下輸出信號(hào)并抑制噪聲。抑制噪聲。根據(jù)線性電路分析，已知信號(hào)頻率根據(jù)線性電路分析，已知信號(hào)頻率fs，所用帶通濾波器等效帶寬，所用帶通濾波器等效帶寬為為fs，則相應(yīng)的帶通放大器，則相應(yīng)的帶通放大器品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q為為由于等效噪聲帶寬由于等效噪聲帶寬fs與與fn有一定關(guān)系，若有一定關(guān)系，若fs越窄，則越窄，則fn越窄，對(duì)噪越窄，對(duì)噪聲抑制越好。因此，聲抑制越好。因此，品質(zhì)因數(shù)品質(zhì)因數(shù)Q也表征了帶通

21、放大器對(duì)噪聲的抑制能也表征了帶通放大器對(duì)噪聲的抑制能力。力。例如當(dāng)例如當(dāng)fs=100 kHz ，則，則fs=5.3 10-4Hz或或fn=8.3 10-4Hz 時(shí)，時(shí)，Q=1.88108。214.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)21 相關(guān)檢測(cè)是將信號(hào)進(jìn)行積累使噪聲得到抑制，因此相關(guān)檢測(cè)是將信號(hào)進(jìn)行積累使噪聲得到抑制，因此SNRo必定優(yōu)于必定優(yōu)于SNRi，信噪改善比定義為，信噪改善比定義為3 3）信噪比改善）信噪比改善若設(shè)若設(shè)fni=200 kHz，fno=8.3 10-4Hz，則，則SNIR=6104。表明：鎖定放大器可使信噪比改善表明：鎖定放大器可使信噪比改善10,000多倍

22、，具有很強(qiáng)的抑制噪多倍，具有很強(qiáng)的抑制噪聲能力。聲能力。信噪改善比與噪聲帶寬被壓縮的程度有關(guān)，又可寫作信噪改善比與噪聲帶寬被壓縮的程度有關(guān)，又可寫作224.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)225 5、鎖定放大器的特點(diǎn)、鎖定放大器的特點(diǎn) 要求對(duì)入射光束進(jìn)行斬光或光源調(diào)制，適用于調(diào)幅光要求對(duì)入射光束進(jìn)行斬光或光源調(diào)制，適用于調(diào)幅光信號(hào)的檢測(cè)；信號(hào)的檢測(cè)； 交流直流信號(hào)變換器；交流直流信號(hào)變換器； 極窄帶高增益放大器，增益可達(dá)極窄帶高增益放大器，增益可達(dá)1011，帶寬窄到，帶寬窄到0.0004Hz； 可以補(bǔ)償光檢測(cè)中的背景輻射噪聲前置放大器的固可以補(bǔ)償光檢測(cè)中的背景輻射噪聲前置放大器

23、的固有噪聲；信噪比改善可達(dá)有噪聲；信噪比改善可達(dá)104倍。倍。234.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)23 取樣積分器（也稱信號(hào)平均器或取樣積分器（也稱信號(hào)平均器或BOXCAR）是用于處理是用于處理脈沖信號(hào)脈沖信號(hào)的儀的儀器，是一種微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。它利用器，是一種微弱信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)。它利用周期性信號(hào)周期性信號(hào)的重復(fù)特性，在每的重復(fù)特性，在每個(gè)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)的一部分取樣一次，然后經(jīng)過(guò)積分器算出平均值，于個(gè)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)的一部分取樣一次，然后經(jīng)過(guò)積分器算出平均值，于是各個(gè)周期內(nèi)取樣平均信號(hào)的總體便展現(xiàn)了待測(cè)信號(hào)的真實(shí)波形。因是各個(gè)周期內(nèi)取樣平均信號(hào)的總體便展現(xiàn)了待測(cè)信號(hào)的真實(shí)波形。因?yàn)?/p>

24、信號(hào)提取為信號(hào)提取(取樣取樣)是經(jīng)過(guò)多次重復(fù)的，而噪聲多次重復(fù)的統(tǒng)計(jì)平均值為是經(jīng)過(guò)多次重復(fù)的，而噪聲多次重復(fù)的統(tǒng)計(jì)平均值為零，所以可大大提高信噪比，再現(xiàn)被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)波形。零，所以可大大提高信噪比，再現(xiàn)被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)波形。244.3.3 取樣積分器取樣積分器4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)24對(duì)一個(gè)攜帶有噪聲的輸入脈沖信號(hào)可記為對(duì)一個(gè)攜帶有噪聲的輸入脈沖信號(hào)可記為 f(t)=S(t)+N(t) 其中，具有重復(fù)頻率的脈沖信號(hào)其中，具有重復(fù)頻率的脈沖信號(hào)S(t) 可以表達(dá)為可以表達(dá)為S(t)=S(t+nT)，式中，式中n=1,2,3, 為整數(shù)，為整數(shù)，T為脈沖的重復(fù)為脈沖的

25、重復(fù)周期。周期。N(t)為隨機(jī)噪聲，可用它的有效值來(lái)表征：為隨機(jī)噪聲，可用它的有效值來(lái)表征：2( )( )N tN t1 1、 取樣積分器的工作原理取樣積分器的工作原理254.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)25信噪比定義為信號(hào)峰值與噪聲的有效值之比。信噪比定義為信號(hào)峰值與噪聲的有效值之比。如果對(duì)輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行多次取樣累加，其輸出信號(hào)如果對(duì)輸入脈沖信號(hào)進(jìn)行多次取樣累加，其輸出信號(hào)22()()()111( )()(2 )( )( )ommmff tnTS tnTN tnTnnnmS tNtTNtTmS tmN t264.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)26信噪比

26、的改善度信噪比的改善度 (signal to noise improved ratio，指輸出信噪，指輸出信噪比與輸入信噪比之比，簡(jiǎn)寫為比與輸入信噪比之比，簡(jiǎn)寫為SNIR) ()( )( )()( )( )SNIRSNRmS tN toutSNRS tmN timn即經(jīng)過(guò)即經(jīng)過(guò) m 次采樣后，信噪比的改善度與采樣次數(shù)次采樣后，信噪比的改善度與采樣次數(shù)m的平方根的平方根成正比。這就是取樣積分技術(shù)的基本原理成正比。這就是取樣積分技術(shù)的基本原理 法則法則。m4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)2727 信號(hào)平均技術(shù)信號(hào)平均技術(shù)信噪比改善與采樣次數(shù)信噪比改善與采樣次數(shù)m 的關(guān)系的關(guān)系V

27、S，VnVSmVnm1/2采樣次數(shù)采樣次數(shù)m28信號(hào)與信號(hào)與采樣次數(shù)采樣次數(shù)m成正比，成正比，噪聲與噪聲與 成正比，成正比，因此信噪因此信噪比改善度與比改善度與 成正。成正。采樣次數(shù)越多，信號(hào)恢復(fù)越采樣次數(shù)越多，信號(hào)恢復(fù)越精確，但需要的平均積累時(shí)精確，但需要的平均積累時(shí)間也越長(zhǎng)。間也越長(zhǎng)。m法則：法則：mm4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)28取樣積分器通常有取樣積分器通常有兩種工作模式兩種工作模式，即，即定點(diǎn)式和掃描式定點(diǎn)式和掃描式: : 定點(diǎn)式取樣積分器定點(diǎn)式取樣積分器是測(cè)量周期信號(hào)的某一瞬態(tài)平均值；是測(cè)量周期信號(hào)的某一瞬態(tài)平均值； 掃描式取樣積分器掃描式取樣積分器則可以

28、恢復(fù)和記錄被測(cè)信號(hào)的波形。則可以恢復(fù)和記錄被測(cè)信號(hào)的波形。下面分別討論這兩種模式：下面分別討論這兩種模式：294.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)292、定點(diǎn)式取樣積分器、定點(diǎn)式取樣積分器30 定點(diǎn)式是對(duì)被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)在固定點(diǎn)取樣、平均，所以定點(diǎn)式是對(duì)被噪聲淹沒(méi)的信號(hào)在固定點(diǎn)取樣、平均，所以經(jīng)過(guò)經(jīng)過(guò)m次取樣平均后，信噪比改善次取樣平均后，信噪比改善mSNIR4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)30觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)信號(hào)VB經(jīng)過(guò)延時(shí)電經(jīng)過(guò)延時(shí)電路，以保持對(duì)信號(hào)路，以保持對(duì)信號(hào)VA固固定部位取樣，并產(chǎn)生脈定部位取樣，并產(chǎn)生脈寬可調(diào)的取樣脈沖以控寬可調(diào)的取樣脈沖以控制取樣

29、門開斷。制取樣門開斷。待測(cè)信號(hào)待測(cè)信號(hào)VA經(jīng)放大，經(jīng)放大，然后經(jīng)過(guò)取樣門積分器然后經(jīng)過(guò)取樣門積分器進(jìn)行積累平均。進(jìn)行積累平均。信號(hào)的累加是靠采樣保持電路的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的累加是靠采樣保持電路的功能來(lái)實(shí)現(xiàn)，即采用取樣脈沖控制，即采用取樣脈沖控制RC積分器，使在取樣時(shí)間內(nèi)被取樣的波形作同步積累，并將所積累的結(jié)果積分器，使在取樣時(shí)間內(nèi)被取樣的波形作同步積累，并將所積累的結(jié)果( (輸出輸出) )保持到下一次取樣。保持到下一次取樣。t tg gADAD門脈沖門脈沖發(fā)生器發(fā)生器前放前放輸入信號(hào)輸入信號(hào)觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)信號(hào)門脈沖門脈沖R RC C積分器積分器采樣門采樣門31取樣積分器的核心組件是取樣積分器的核心

30、組件是取樣門和積分器；取樣門和積分器；4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)31 指數(shù)累加過(guò)程是在一個(gè)指數(shù)累加過(guò)程是在一個(gè)RC積分器中按下式對(duì)電容進(jìn)行充電：積分器中按下式對(duì)電容進(jìn)行充電：累加過(guò)程：累加過(guò)程：)1 (CTtioeVV 但是由于充電過(guò)程是脈沖式的，門脈沖的周期為但是由于充電過(guò)程是脈沖式的，門脈沖的周期為tp（也即輸（也即輸入信號(hào)的周期），而每個(gè)脈沖充電時(shí)間只有入信號(hào)的周期），而每個(gè)脈沖充電時(shí)間只有tg，因此要考慮，因此要考慮到脈沖的占空比到脈沖的占空比（t=n tg ）。TC=RC為時(shí)間常數(shù)，當(dāng)為時(shí)間常數(shù)，當(dāng)t=TC時(shí)，時(shí)，Vo=0.632Vi 。324.3 微弱光信

31、號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)32 指數(shù)累加過(guò)程及指數(shù)累加過(guò)程及OTC（觀察時(shí)間常數(shù)）（觀察時(shí)間常數(shù)）的概念的概念V0/Vi10.632TCOTCttPtg33/(1)Ct ToiVVe門脈沖寬度門脈沖寬度tg越小越小輸出信號(hào)的時(shí)間輸出信號(hào)的時(shí)間分辨率越高，分辨率越高，當(dāng)當(dāng)tg =tp時(shí)，信號(hào)時(shí)，信號(hào)開始無(wú)法分辨。開始無(wú)法分辨。4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)33CppgtOTCntTtgCtntTRC當(dāng)當(dāng)Vo/Vi =0.632用定點(diǎn)模式測(cè)量光譜用定點(diǎn)模式測(cè)量光譜樣品樣品分束片分束片激光束激光束PMTPMT觸發(fā)觸發(fā)BoxcarBoxcar記錄儀記錄儀激光波長(zhǎng)激光波長(zhǎng)

32、熒光強(qiáng)度熒光強(qiáng)度344.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)34YAGYAG激光泵浦激光泵浦染料激光器染料激光器掃描掃描單色儀單色儀PMTPMT光探測(cè)器光探測(cè)器取樣積分器取樣積分器(Boxcar)(Boxcar)觸發(fā)信號(hào)觸發(fā)信號(hào)輸入信號(hào)輸入信號(hào)聚焦透鏡聚焦透鏡熒光樣品池?zé)晒鈽悠烦胤质质瑴?zhǔn)直透鏡組準(zhǔn)直透鏡組記錄儀記錄儀 采用采用BoxcarBoxcar測(cè)量發(fā)射熒光光譜測(cè)量發(fā)射熒光光譜( (定點(diǎn)模式定點(diǎn)模式) )354.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)35 Boxcar的掃描方式用于微弱脈沖信號(hào)的時(shí)域（的掃描方式用于微弱脈沖信號(hào)的時(shí)域（time domain）測(cè)量

33、，）測(cè)量，即測(cè)量光脈沖信號(hào)幅度隨時(shí)間的演變過(guò)即測(cè)量光脈沖信號(hào)幅度隨時(shí)間的演變過(guò)程，亦稱為時(shí)間譜（可以短到程，亦稱為時(shí)間譜（可以短到ns級(jí)的時(shí)間測(cè)量）。級(jí)的時(shí)間測(cè)量）。例如測(cè)量發(fā)射熒光隨時(shí)間的衰減，這個(gè)過(guò)程可以是例如測(cè)量發(fā)射熒光隨時(shí)間的衰減，這個(gè)過(guò)程可以是s或或者者ns數(shù)量級(jí)，一般的機(jī)械記錄儀無(wú)法對(duì)這種快速信號(hào)進(jìn)數(shù)量級(jí)，一般的機(jī)械記錄儀無(wú)法對(duì)這種快速信號(hào)進(jìn)行記錄。行記錄。Boxcar的掃描方式可以把這個(gè)快速變化過(guò)程進(jìn)的掃描方式可以把這個(gè)快速變化過(guò)程進(jìn)行記錄。行記錄。3、掃描式取樣積分器、掃描式取樣積分器364.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)36 掃描式取樣積分器掃描式取樣積分器

34、利用取樣脈沖在信號(hào)波形上延時(shí)利用取樣脈沖在信號(hào)波形上延時(shí)取樣，可以恢復(fù)被測(cè)信號(hào)波形。它主要取樣，可以恢復(fù)被測(cè)信號(hào)波形。它主要包括可變時(shí)延的包括可變時(shí)延的取樣脈沖和在取樣脈沖控制下做同步積累取樣脈沖和在取樣脈沖控制下做同步積累這兩個(gè)過(guò)程。這兩個(gè)過(guò)程。 掃描式取樣積分器可得到形狀與輸入的被測(cè)信號(hào)相掃描式取樣積分器可得到形狀與輸入的被測(cè)信號(hào)相同，而在時(shí)間上大大放慢了的輸出波形，故同，而在時(shí)間上大大放慢了的輸出波形，故掃描式取樣掃描式取樣積分器能在噪聲中提取信號(hào)并恢復(fù)波形積分器能在噪聲中提取信號(hào)并恢復(fù)波形。374.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)37384.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微

35、弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)38通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)通過(guò)產(chǎn)生一個(gè)慢掃描斜坡電慢掃描斜坡電壓來(lái)連續(xù)改變壓來(lái)連續(xù)改變門脈沖延時(shí)。門脈沖延時(shí)。394.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)39參考信號(hào)經(jīng)整形電路變參考信號(hào)經(jīng)整形電路變成觸發(fā)脈沖；成觸發(fā)脈沖；觸發(fā)脈沖同時(shí)觸發(fā)時(shí)基觸發(fā)脈沖同時(shí)觸發(fā)時(shí)基電路和觸發(fā)慢掃描電壓電路和觸發(fā)慢掃描電壓發(fā)生器分別產(chǎn)生時(shí)基電發(fā)生器分別產(chǎn)生時(shí)基電壓和慢掃描電壓；壓和慢掃描電壓；時(shí)基電壓與慢掃描電壓同時(shí)基電壓與慢掃描電壓同時(shí)輸入到比較器進(jìn)行幅度時(shí)輸入到比較器進(jìn)行幅度比較，在兩者交點(diǎn)即為比比較，在兩者交點(diǎn)即為比較器的輸出較器的輸出矩形脈沖；矩形脈沖；矩形脈沖的后沿形成負(fù)尖矩形脈沖的

36、后沿形成負(fù)尖脈沖；脈沖；負(fù)尖脈沖觸發(fā)整形電路，負(fù)尖脈沖觸發(fā)整形電路，得到可變時(shí)延的取樣脈沖。得到可變時(shí)延的取樣脈沖。404.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)40逐點(diǎn)重復(fù)取樣，輸出與輸入形狀相同，而在時(shí)間上大大放慢。逐點(diǎn)重復(fù)取樣，輸出與輸入形狀相同，而在時(shí)間上大大放慢。因此，掃描式取樣積分器能在噪聲中提取信號(hào)并恢復(fù)波形。因此，掃描式取樣積分器能在噪聲中提取信號(hào)并恢復(fù)波形。掃描模式中采樣門脈沖移動(dòng)掃描模式中采樣門脈沖移動(dòng)采樣門脈沖采樣門脈沖被測(cè)脈沖信號(hào)被測(cè)脈沖信號(hào)tg t慢掃描波的周期遠(yuǎn)大于時(shí)慢掃描波的周期遠(yuǎn)大于時(shí)基波的周期。通常一個(gè)慢基波的周期。通常一個(gè)慢掃描波的時(shí)間內(nèi)有掃描波的

37、時(shí)間內(nèi)有103105個(gè)時(shí)基波。個(gè)時(shí)基波。414.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)41取樣積分器特點(diǎn)：取樣積分器特點(diǎn)：適用于由脈沖光源產(chǎn)生的連續(xù)周期變化的信號(hào)波形測(cè)量或單個(gè)光脈沖適用于由脈沖光源產(chǎn)生的連續(xù)周期變化的信號(hào)波形測(cè)量或單個(gè)光脈沖的幅度測(cè)量。的幅度測(cè)量。需要有與光脈沖同步的激勵(lì)信號(hào)；需要有與光脈沖同步的激勵(lì)信號(hào)；取樣積分器在每個(gè)信號(hào)脈沖周期內(nèi)只取一個(gè)輸入信號(hào)值，可以對(duì)輸入取樣積分器在每個(gè)信號(hào)脈沖周期內(nèi)只取一個(gè)輸入信號(hào)值，可以對(duì)輸入波形的確定位置做重復(fù)測(cè)量或通過(guò)掃描再現(xiàn)輸入信號(hào)的整個(gè)波形；波形的確定位置做重復(fù)測(cè)量或通過(guò)掃描再現(xiàn)輸入信號(hào)的整個(gè)波形；在多次取樣過(guò)程中，門積分器對(duì)

38、在多次取樣過(guò)程中，門積分器對(duì)被測(cè)信號(hào)被測(cè)信號(hào)的多次取樣值進(jìn)行的多次取樣值進(jìn)行線性疊加線性疊加，而對(duì)，而對(duì)隨機(jī)噪聲隨機(jī)噪聲是是矢量疊加矢量疊加，所以，對(duì)信號(hào)有恢復(fù)提取作用；，所以，對(duì)信號(hào)有恢復(fù)提取作用；在測(cè)量占空比小于在測(cè)量占空比小于50的窄脈沖光強(qiáng)度下，信噪比好于鎖相放大器；的窄脈沖光強(qiáng)度下，信噪比好于鎖相放大器；用掃描方式測(cè)量信號(hào)波形時(shí)能得到用掃描方式測(cè)量信號(hào)波形時(shí)能得到100ns的時(shí)間分辨率。的時(shí)間分辨率。424.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)42434.3.4 光子計(jì)數(shù)技術(shù)光子計(jì)數(shù)技術(shù)4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)4344 光子計(jì)數(shù)技術(shù)只適合于極弱

39、光測(cè)量（大約每秒發(fā)射光子計(jì)數(shù)技術(shù)只適合于極弱光測(cè)量（大約每秒發(fā)射108個(gè)以個(gè)以內(nèi)分立光子），不能測(cè)量包含許多光子的短脈沖強(qiáng)度。內(nèi)分立光子），不能測(cè)量包含許多光子的短脈沖強(qiáng)度。4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)4445 光子計(jì)數(shù)器的光電器件：光子計(jì)數(shù)器的光電器件：光電倍增管（光電倍增管（PMT）雪崩光電二極管（雪崩光電二極管（APD）增強(qiáng)型光電二極管（增強(qiáng)型光電二極管（IPD）微通道板（微通道板（MCP）微球板（微球板（MSP）真空光電二極管（真空光電二極管（VAPD） 光子計(jì)數(shù)器的應(yīng)用：光子計(jì)數(shù)器的應(yīng)用：熒光測(cè)量、磷光測(cè)量、漫射光測(cè)量、拉曼散射測(cè)量等領(lǐng)域。熒光測(cè)量、磷光測(cè)量、

40、漫射光測(cè)量、拉曼散射測(cè)量等領(lǐng)域。4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)45基本概念基本概念：在弱光信號(hào)檢測(cè)中，當(dāng)光強(qiáng)微弱到一定程度時(shí)，：在弱光信號(hào)檢測(cè)中，當(dāng)光強(qiáng)微弱到一定程度時(shí)，光的量子特征開始突出起來(lái)，光的量子特征開始突出起來(lái)，光電倍增管的輸出呈現(xiàn)出脈光電倍增管的輸出呈現(xiàn)出脈沖序列的特點(diǎn)沖序列的特點(diǎn)。光子計(jì)數(shù)器就是利用這種特性，以及。光子計(jì)數(shù)器就是利用這種特性，以及信號(hào)信號(hào)脈沖和噪聲脈沖之間的差異脈沖和噪聲脈沖之間的差異，通過(guò)一定的鑒別手段對(duì)信號(hào)，通過(guò)一定的鑒別手段對(duì)信號(hào)進(jìn)行甄別，并且對(duì)被測(cè)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)達(dá)到提高信噪比的進(jìn)行甄別，并且對(duì)被測(cè)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)來(lái)達(dá)到提高信噪比的目的。目

41、的。光子計(jì)數(shù)方法是目前測(cè)量連續(xù)的微弱光信號(hào)最靈敏的方光子計(jì)數(shù)方法是目前測(cè)量連續(xù)的微弱光信號(hào)最靈敏的方法。法。 靈敏度達(dá)到物理極限靈敏度達(dá)到物理極限 1、 光子計(jì)數(shù)的原理光子計(jì)數(shù)的原理464.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)46 波長(zhǎng)為波長(zhǎng)為632.8nm的的He-Ne激光光源，每個(gè)光子的能量為激光光源，每個(gè)光子的能量為3.1910-19焦耳，當(dāng)光功率小于焦耳，當(dāng)光功率小于10-11瓦以下時(shí)，相當(dāng)于光子瓦以下時(shí)，相當(dāng)于光子的發(fā)射率為的發(fā)射率為108光子數(shù)光子數(shù)/秒，即光子的發(fā)射周期約為秒，即光子的發(fā)射周期約為10-8秒，秒，剛好是光電倍增管輸出脈沖可分辨的極限寬度（即為剛好是光電

42、倍增管輸出脈沖可分辨的極限寬度（即為PMT的響應(yīng)時(shí)間）。這樣，光電倍增管的輸出呈現(xiàn)出脈沖序列的響應(yīng)時(shí)間）。這樣，光電倍增管的輸出呈現(xiàn)出脈沖序列的特點(diǎn)。的特點(diǎn)。 舉例：舉例：474.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)47481 1）光子計(jì)數(shù)器）光子計(jì)數(shù)器(photon counter)的組成的組成模擬輸出模擬輸出PMT前置前置放大器放大器幅度幅度鑒別器鑒別器計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器D/A數(shù)字輸出數(shù)字輸出 光子計(jì)數(shù)器主要由光電倍增管、放大器、鑒別器和計(jì)數(shù)器組成。光子計(jì)數(shù)器主要由光電倍增管、放大器、鑒別器和計(jì)數(shù)器組成。光電倍增管檢測(cè)到的弱光信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大后，由鑒別器對(duì)幅度光電倍增管檢測(cè)到的

43、弱光信號(hào)，經(jīng)前置放大器放大后，由鑒別器對(duì)幅度進(jìn)行鑒別，鑒別后的信號(hào)經(jīng)整形后計(jì)數(shù)輸出，數(shù)字信號(hào)可直接送計(jì)算機(jī)進(jìn)行鑒別，鑒別后的信號(hào)經(jīng)整形后計(jì)數(shù)輸出，數(shù)字信號(hào)可直接送計(jì)算機(jī)處理，也可以通過(guò)處理，也可以通過(guò)D/AD/A轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)輸出。 4.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)48光子計(jì)數(shù)器工作的基本過(guò)程：光子計(jì)數(shù)器工作的基本過(guò)程：用用光電倍增管光電倍增管檢測(cè)弱光的光子流，形成包括噪聲信號(hào)在內(nèi)的輸出光脈檢測(cè)弱光的光子流，形成包括噪聲信號(hào)在內(nèi)的輸出光脈沖；沖；利用利用脈沖幅度鑒別器脈沖幅度鑒別器鑒別噪聲脈沖多光子脈沖，只允許單光子脈沖鑒別噪聲脈沖多光子脈沖，只允許單光

44、子脈沖通過(guò)；通過(guò)；利用利用光子脈沖計(jì)數(shù)器光子脈沖計(jì)數(shù)器檢測(cè)光子數(shù)，根據(jù)測(cè)量目的，折算出被測(cè)參量；檢測(cè)光子數(shù)，根據(jù)測(cè)量目的，折算出被測(cè)參量；為補(bǔ)償輻射源或背景噪聲的影響，可采用為補(bǔ)償輻射源或背景噪聲的影響，可采用雙通道測(cè)量雙通道測(cè)量方法。方法。PMT比例計(jì)計(jì)數(shù)器A/D放大器光子參考電壓光子脈沖噪聲計(jì)數(shù)脈沖鑒別器模擬輸出數(shù)字輸出模擬輸出494.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)49光子計(jì)數(shù)器光子計(jì)數(shù)器SR400 SR400 門控光子計(jì)數(shù)器（雙通道）門控光子計(jì)數(shù)器（雙通道）504.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)50光電倍增管光電倍增管是一種噪聲小，高增益的光傳感器。當(dāng)

45、弱光信號(hào)照射到是一種噪聲小，高增益的光傳感器。當(dāng)弱光信號(hào)照射到光陰極光陰極K上，上，每個(gè)入射光子以一定的概率使光陰極發(fā)射一個(gè)光電子，這個(gè)光電子經(jīng)倍增系統(tǒng)的每個(gè)入射光子以一定的概率使光陰極發(fā)射一個(gè)光電子，這個(gè)光電子經(jīng)倍增系統(tǒng)的倍增，在陽(yáng)極回路上形成一個(gè)電流脈沖，即建立一個(gè)電壓脈沖，稱為倍增，在陽(yáng)極回路上形成一個(gè)電流脈沖，即建立一個(gè)電壓脈沖，稱為“單光子脈單光子脈沖沖”。如果入射光很弱，入射的光幾乎是一個(gè)個(gè)離散地入射到光陰極上的，則在。如果入射光很弱，入射的光幾乎是一個(gè)個(gè)離散地入射到光陰極上的，則在陽(yáng)極上得到一系列分立的脈沖信號(hào)。即光電倍增管輸出的光電信號(hào)是分立的尖脈陽(yáng)極上得到一系列分立的脈沖信號(hào)

46、。即光電倍增管輸出的光電信號(hào)是分立的尖脈沖，這些沖，這些脈沖的平均計(jì)數(shù)效率與光子的流量成正比脈沖的平均計(jì)數(shù)效率與光子的流量成正比。 PMT需接高壓電源以正常工作；需接高壓電源以正常工作；PMT必須配備制冷器以減少陰極的必須配備制冷器以減少陰極的熱電子發(fā)射。熱電子發(fā)射。2 2）光電倍增管中的光電流）光電倍增管中的光電流514.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)51光子計(jì)數(shù)原理光子計(jì)數(shù)原理 通常情況下，光電倍增管受到通常情況下，光電倍增管受到10-13W以上較強(qiáng)光輻射以上較強(qiáng)光輻射作用時(shí)作用時(shí)光電子流堆積光電子流堆積（光電倍增管的（光電倍增管的多光子事件多光子事件工作工作條件）。條件

47、）。524.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)52輸入光較微弱（光輸入光較微弱（光子速率子速率109/s)時(shí)，時(shí)，光電流不連續(xù)；光電流不連續(xù)；輸入光強(qiáng)時(shí)，輸出輸入光強(qiáng)時(shí)，輸出為幅度有漲落的直為幅度有漲落的直流量；流量；光功率非常微弱時(shí)（光功率非常微弱時(shí)（光輻射減小到光輻射減小到10-1510-16W），形成），形成單單光子發(fā)射光子發(fā)射，此時(shí)光電倍增管輸出的脈沖數(shù)正比于入射光子，此時(shí)光電倍增管輸出的脈沖數(shù)正比于入射光子流強(qiáng)度流強(qiáng)度（光電倍增管的（光電倍增管的單光子事件單光子事件工作條件）工作條件） 。534.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)53輸入光極微弱時(shí)輸入光極

48、微弱時(shí)PMT輸出離散的脈沖輸出離散的脈沖544.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)54 光子計(jì)數(shù)方法是目前測(cè)量連續(xù)的微弱光信號(hào)最靈敏的方法，通光子計(jì)數(shù)方法是目前測(cè)量連續(xù)的微弱光信號(hào)最靈敏的方法，通?？梢杂糜趯?duì)常可以用于對(duì)10-14瓦的弱光進(jìn)行探測(cè)，相當(dāng)于光子發(fā)射率為瓦的弱光進(jìn)行探測(cè)，相當(dāng)于光子發(fā)射率為104光子光子數(shù)數(shù)/秒，達(dá)到單光子探測(cè)的水平。秒，達(dá)到單光子探測(cè)的水平。靈敏的光探測(cè)方法靈敏的光探測(cè)方法 光子計(jì)數(shù)方法提高信噪比的原因是因?yàn)橛晒怆姳对龉芴綔y(cè)到的信光子計(jì)數(shù)方法提高信噪比的原因是因?yàn)橛晒怆姳对龉芴綔y(cè)到的信號(hào)脈沖號(hào)脈沖（注意：這里的信號(hào)脈沖是由于光強(qiáng)處于非常微弱的狀態(tài)，光

49、（注意：這里的信號(hào)脈沖是由于光強(qiáng)處于非常微弱的狀態(tài)，光的量子特性變得明顯而產(chǎn)生的光子脈沖，實(shí)際上光子計(jì)數(shù)器是用于連的量子特性變得明顯而產(chǎn)生的光子脈沖，實(shí)際上光子計(jì)數(shù)器是用于連續(xù)的微弱光信號(hào)檢測(cè)）續(xù)的微弱光信號(hào)檢測(cè)）和噪聲脈沖，在幅度統(tǒng)計(jì)分布上是不同的和噪聲脈沖，在幅度統(tǒng)計(jì)分布上是不同的。信。信號(hào)脈沖由于增益相近，其幅度相當(dāng)好地集中在一個(gè)特定的范圍內(nèi)，而號(hào)脈沖由于增益相近，其幅度相當(dāng)好地集中在一個(gè)特定的范圍內(nèi)，而噪聲脈沖則隨機(jī)分散。噪聲脈沖則隨機(jī)分散。 554.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)55如圖，光電倍增管典型輸出脈沖分布。如圖，光電倍增管典型輸出脈沖分布。超過(guò)第二閾值電壓

50、超過(guò)第二閾值電壓V2高度的脈沖計(jì)數(shù)率明顯下降，有時(shí)還出現(xiàn)較低的計(jì)數(shù)高度的脈沖計(jì)數(shù)率明顯下降，有時(shí)還出現(xiàn)較低的計(jì)數(shù)率峰，稱為率峰，稱為雙光子響應(yīng)峰雙光子響應(yīng)峰。由圖可看出，低脈沖對(duì)應(yīng)由圖可看出，低脈沖對(duì)應(yīng)有高的脈沖計(jì)數(shù)率，相當(dāng)有高的脈沖計(jì)數(shù)率，相當(dāng)于光電倍增管和放大器于光電倍增管和放大器噪噪聲聲引起的脈沖輸出，與光引起的脈沖輸出，與光子流無(wú)關(guān)；子流無(wú)關(guān)；在兩閾值電壓在兩閾值電壓V1與與V2之間之間的脈沖對(duì)應(yīng)有一較高脈沖的脈沖對(duì)應(yīng)有一較高脈沖計(jì)數(shù)率峰，是計(jì)數(shù)率峰，是單光子響應(yīng)單光子響應(yīng)峰峰，其脈沖計(jì)數(shù)率正比于，其脈沖計(jì)數(shù)率正比于光照強(qiáng)度；光照強(qiáng)度；564.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探

51、測(cè)技術(shù)563 3）光子計(jì)數(shù)器中的放大器）光子計(jì)數(shù)器中的放大器574.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)574 4）甄別器的工作方式）甄別器的工作方式甄別器的功能是鑒別輸出光電子脈沖，棄除熱發(fā)射噪聲脈沖。甄別器的功能是鑒別輸出光電子脈沖，棄除熱發(fā)射噪聲脈沖。（棄（棄除低幅度和高幅度噪聲脈沖，降低光子計(jì)數(shù)器的背景計(jì)數(shù)率，提高除低幅度和高幅度噪聲脈沖，降低光子計(jì)數(shù)器的背景計(jì)數(shù)率，提高檢測(cè)結(jié)果的信噪比檢測(cè)結(jié)果的信噪比 ）通過(guò)選擇甄別器的第一甄別電平通過(guò)選擇甄別器的第一甄別電平V1和第二甄別電平和第二甄別電平V2，可實(shí)現(xiàn)只將，可實(shí)現(xiàn)只將陰極發(fā)射而形成的單光子脈沖和熱電子脈沖轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)脈沖參

52、加計(jì)陰極發(fā)射而形成的單光子脈沖和熱電子脈沖轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)脈沖參加計(jì)數(shù)，而扣除掉其他噪聲脈沖。數(shù)，而扣除掉其他噪聲脈沖。584.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)58通過(guò)幅度甄別和單光子記數(shù)方法提高測(cè)量信噪比通過(guò)幅度甄別和單光子記數(shù)方法提高測(cè)量信噪比594.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)595 5）計(jì)數(shù)方法）計(jì)數(shù)方法對(duì)于高性能的光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率均在對(duì)于高性能的光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)率均在100MHz以上，以上，一般的系統(tǒng)也要求一般的系統(tǒng)也要求在在10MHz以上以上。604.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)60（1 1）直接計(jì)數(shù)）直接計(jì)數(shù)

53、 計(jì)數(shù)器累計(jì)來(lái)自甄別器的脈沖計(jì)數(shù)器累計(jì)來(lái)自甄別器的脈沖數(shù)數(shù)NA。 計(jì)數(shù)時(shí)間間隔計(jì)數(shù)時(shí)間間隔T用時(shí)鐘脈沖的用時(shí)鐘脈沖的速率速率RC和預(yù)置鐘脈沖個(gè)數(shù)和預(yù)置鐘脈沖個(gè)數(shù)N來(lái)表示，來(lái)表示，即即T=N/RC。 若光電子脈沖速率為若光電子脈沖速率為RA，則在，則在時(shí)間間隔時(shí)間間隔T內(nèi)，累計(jì)的脈沖數(shù)內(nèi)，累計(jì)的脈沖數(shù)NA為為AAAACNNRTRRR常數(shù)614.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)61（2 2）比例計(jì)數(shù)）比例計(jì)數(shù) 比例計(jì)數(shù)方式常用于雙光路系比例計(jì)數(shù)方式常用于雙光路系統(tǒng)。統(tǒng)。如在光譜測(cè)量中，為消除光源如在光譜測(cè)量中，為消除光源起伏造成的信號(hào)漲落，常用雙光路起伏造成的信號(hào)漲落，常用雙光路測(cè)

54、量。在測(cè)量。在設(shè)定計(jì)數(shù)設(shè)定計(jì)數(shù)N的情況下的情況下，計(jì)計(jì)數(shù)器數(shù)器A測(cè)得的計(jì)數(shù)測(cè)得的計(jì)數(shù)NA為為AAAACCRNNRTRNRR比值 常數(shù)當(dāng)光源光強(qiáng)起伏時(shí)，當(dāng)光源光強(qiáng)起伏時(shí)， RA/RC不變，因不變，因此測(cè)量結(jié)果不變，實(shí)現(xiàn)源補(bǔ)償功能。此測(cè)量結(jié)果不變，實(shí)現(xiàn)源補(bǔ)償功能。624.3 微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)微弱光信號(hào)的電探測(cè)技術(shù)62（3 3）反比例計(jì)數(shù)）反比例計(jì)數(shù) 在極微弱光信號(hào)測(cè)量中，在極微弱光信號(hào)測(cè)量中，在預(yù)在預(yù)置計(jì)數(shù)時(shí)間內(nèi)可能只得到微小的計(jì)置計(jì)數(shù)時(shí)間內(nèi)可能只得到微小的計(jì)數(shù)，測(cè)量結(jié)果的信噪比很低。數(shù)，測(cè)量結(jié)果的信噪比很低。 若若按預(yù)定的信噪比要求預(yù)置數(shù)，按預(yù)定的信噪比要求預(yù)置數(shù)，再測(cè)量達(dá)到這個(gè)計(jì)數(shù)所需要的時(shí)間再測(cè)量達(dá)到這個(gè)計(jì)數(shù)所需要的時(shí)間，即為反比例計(jì)數(shù)，即為反比例計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器A測(cè)得的測(cè)得的結(jié)果結(jié)果為為11ACCAANRTR NRR常數(shù)該計(jì)數(shù)方式在給定的預(yù)置數(shù)條件下對(duì)不同該計(jì)數(shù)方式在給定的預(yù)置數(shù)條件下對(duì)不同強(qiáng)度的信號(hào)測(cè)量結(jié)果的信噪比相同。強(qiáng)度的信號(hào)測(cè)量結(jié)果的信噪比相同。634.3 微弱光信號(hào)的電