單光子計數系統及其噪聲分析

摘要： 單光子計數系統利用微弱光照射下光子探測器輸出電信號自然離散的特點，采用脈沖甄別技術和數字計數技術把極其弱的信號識別并提取出來。為了深入地討論和分析單光子計數系統，在此分析了單光子計數系統中采用脈沖幅度甄別器和光子計數器測量光子數的工作原理，討論了可能影響實驗測量精度及產生誤差的原因，運用Matlab軟件擬合實驗數據曲線。從而加深了對光子數分布的理解，掌握了光子計數基本原理。

關鍵詞： 單光子計數系統； 信噪比； 噪聲； 弱光信號

中圖分類號： TN911?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）06?0167?04

光子計數技術是檢測微弱光信號的一種技術。目前，單光子計數系統在環保檢測、生物醫學、放射探測、激光測量、化學分析等領域有著廣泛的應用。當光功率低于10-14 W，激發出來的光信號將會是離散的光子脈沖。若僅僅用一般的光電探測器幾乎無法實現將微弱的光信號探測出來并進行量化處理。此時，用一般的直流測量法，已不能把淹沒在噪聲里的有用信號有效地提取出來。為了實現精確的檢測、提高信號抗干擾能力，需要有從噪聲中提取、恢復和增強被測信號的技術[1]。本文用的單光子計數系統可以把淹沒在噪聲里的微弱光信號提取出來，檢測光源（發光二極管）的光子分布。

2 單光子計數系統原理、計數性質

3 單光子計數系統的構成

3.1 光電倍增管PMT

PMT由光陰極、聚焦極、倍增極和陽極構成。性能優良的PMT，光譜響應特性好，時間響應快，光陰極的穩定性好，工作波段內的量子效率高，暗計數低[3]。由于PMT的偏置電壓對非線性和信號電流的增益有很大的影響，因此為了使PMT有較好的靈敏度，減少噪聲的影響，需要精心選擇它的最佳偏置電壓。選取依據是PMT的信號計數、暗計數和偏置電壓的關系曲線如圖4所示，由于信號計數曲線有一平坦的坪區，而暗計數曲線則處于連續上升的趨勢，當信號計數曲線開始進入坪區時，信噪比SNR最大，此處的偏壓是最佳偏置電壓[4]。

3.2 放大器

為實現光子計數功能，雙閾值甄別器達到的要求是死區時間短，甄別電平范圍靈活可調，輸出的脈沖輸出幅度、寬度達到后續脈沖計數電路的需要。

3.4 計數器

4.2 背景計數

PMT的光陰極、各倍增極的熱電子發射在信號檢測中產生在沒有入射時的背景計數，即暗計數。暗計數還包括雜散光的計數。面積較小的光陰極管的選擇、管子的工作溫度的降低以及適當甄別電平的選擇，可降低暗計數率到最小，不過對于極微弱的光信號，這種噪聲源仍不可忽略。若PMT的第一倍增極增益很高，甄別器已經去除各倍增極和放大器的噪聲，則上述信號的噪聲成分由于暗計數增加至信噪比為若在光信號累記計數中暗計數保持不變，則從實際計數中扣除它很容易。

4.4 脈沖堆積效應

分辨時間是可以區分兩相繼發生的事件的最短時間間隔，計數系統的分辨時間主要由PMT的分辨時間和甄別器的死時間決定。PMT的分辨時間通常在10～40 ns之間，在分辨時間內，當相繼有兩個或者兩個以上的光子入射到光陰極，它們的時間間隔小于，PMT只輸出一個脈沖，于是單位時間內光電子脈沖的輸出計數率比入射到光陰極上的光子數少。與此類似的是，若在死時間內輸入脈沖，甄別器輸出計數率也會損失。上面這樣的現象叫做脈沖堆積效應。若光子計數系統由高速的甄別器、計數器構成，極限光子流量約為109 s-1，因存在脈沖堆積效應，含有多個光子的超短脈沖光的強度光子計數器不能測量。

5 實驗結果及數據分析

實驗裝置光路如圖7所示。在測量實驗中，計數時間設作500 s，光源（發光二極管）的電流調為最小，測量500次，通過計算機獲得采樣數據，求出光子數的平均值和方差，同樣光子數出現的次數統計出來，除以測量的總次數，算出該光子數的幾率，然后以橫坐標表示光子數，縱坐標表示光子數幾率，做出光子數的分布曲線，與理論的泊松分布曲線進行比較，檢查測量數據是否符合理論的泊松分布，判斷計數系統的穩定性。

6 結 語

本文介紹了微弱光檢測技術，了解了單光子計數系統基本原理、基本實驗技術，通過實際的實驗，觀察和對比發光二極管的實際光子數分布與理論的泊松分布的本質區別，加深了對光子數概率分布規律的理解。

參考文獻

[1] 吳麗君.用單光子計數系統檢測微弱光信號[J].大學物理實驗，2011（3）：23?25.

[2] 劉桂芳，熊狂煒，劉文操.單光子計數系統的研究[J].高師理科學刊，2011，31（2）：67?70.

[3] 王挺峰.提高PMT光子計數系統探測靈敏度的方法[J].光機電信息，2009，26（3）：37?42.

[4] KAWASAKI Y， BERTAINA M E， SAKAKI N， et al. Performance of a multi?anode photomultiplier employing a weak electrostatic focusing system [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A， 2006， 564（1）： 378?394.

[5] 戰琳，王艷芳.單光子實驗的測試與研究[J].唐山學院學報，2009，22（3）：81?82.

[6] 趙楠，閆毅，裴昌幸.水下量子通信的研究[J].現代電子技術，2008，31（7）：8?10.

[7] 王憶鋒，馬鈺.單光子雪崩二極管猝熄電路的發展[J].電子科技，2011（4）：113?118.