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光子计数器. 光子计数器. 1 概述 2 光电倍增管及偏置电路与接地方式 3 光子计数过程中的噪声 4 光子计数器中的放大器 5 光子计数器测量弱光的上限 6 光子计数器中的鉴别器 7 光电倍增管的单光子响应峰 8 光电倍增管的计数坪区 —— 最佳偏压的选择. 1 概述. 一、单光子计数技术 利用弱光照射下光电探测器输出电信号 自然离散的特点 ，采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其微弱的信号识别并提取出来。 单光子计数探测技术是一种 极微弱光探测 法。
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光子计数器 1 概述 2 光电倍增管及偏置电路与接地方式 3 光子计数过程中的噪声 4 光子计数器中的放大器 5 光子计数器测量弱光的上限 6 光子计数器中的鉴别器 7 光电倍增管的单光子响应峰 8 光电倍增管的计数坪区——最佳偏压的选择
1 概述 一、单光子计数技术 • 利用弱光照射下光电探测器输出电信号自然离散的特点，采用脉冲甄别技术和数字计数技术把极其微弱的信号识别并提取出来。 • 单光子计数探测技术是一种极微弱光探测法。 • 它所探测的光的光电流强度比光电检测器本身在室温下的热噪声水平（10-14W）还要低，用通常的直流检测方法不能把这种湮没在噪声中的信号提取出来。
单光子探测技术应用： 高分辨率的光谱测量、 非破坏性物质分析、高速现象检测、 精密分析、大气测污、生物发光、 放射探测、高能物理、天文测光、 量子密钥分发系统等领域。 单光子探测器在高技术领域具有重要地位，成为各国光电子学界重点研究的课题之一 。
这种技术和模拟检测技术相比有如下优点： ●测量结果受光电探测器的漂移、系统增益变化以及其它不稳定因素的影响较小； ●消除了探测器的大部分热噪声的影响，大大提高了测量结果的信噪比； ●有比较宽的线性动态区； ●输出数字信号，适合与计算机接口连接进行数字数据处理。
二、单光子计数的光电器件 可用来作为单光子计数的光电器件有许多种， • 光电倍增管（PMT）、 • 雪崩光电二极管（APD）、 • 增强型光电二极管（IPD）、 • 微通道板（MCP）、 • 微球板（MSP） • 真空光电二极管（VAPD）
1.光电倍增管（PMT）单光子探测器 • 单光子探测需要的光电倍增管要求增益高、暗电流小、噪声低、时间分辨率高、量子效率高、较小的上升和下降时间。 特点： • 具有高的增益（104～107）； • 大光敏面积； • 低噪声等效功率（NEP）； • 体积庞大、量子效率低下、反向偏压高； • 仅能够工作在UV和可见光谱范围内； • 抗外部磁场能力较差。
2、雪崩光电二极管（APD） • 雪崩光电二极管不同于光电倍增管，它是一种建立在内光电效应基础上的光电器件。 • 雪崩光电二极管具有内部增益和放大的作用，一个光子可以产生10~100对光生电子空穴对，从而能够在器件内部产生很大的增益。
目前应用的APD主要有三种，即 • Si-APD、Ge-APD和InGaAs-APD。它们分别对应不同的波长。 • Si-APD主要工作在400nm～1100nm， • Ge-APD在800nm～1550nm， • InGaAs-APD则在900nm～1700nm。 已经有了相关的报道：在光通信三个波段（即850nm、1310nm和1550nm）的单光子探测器用于量子密钥系统。
APD单光子计数具有量子效率高、功耗低、工作频谱范围大、体积小、工作电压较低等优点。APD单光子计数具有量子效率高、功耗低、工作频谱范围大、体积小、工作电压较低等优点。 • 但是同时也有增益低、噪声大，外围控制电路及热电制冷电路较复杂等缺点。
3、真空雪崩光电二极管（VAPD） • 针对PMT和APD的缺点，目前开发出一种真空雪崩光电二极管（VAPD）单光子探测器，它是由光阴极和一个具有大光敏区面积的半导体硅APD组成。 • 光阴极和APD之间保持高真空态，光子信号打到光阴极上，产生光电子，这些光电子在高压电场的作用下加速，然后再打到APD上。 • 对于硅APD，这些光电子的能量约为硅禁带能量的2000倍，这样一个光电子就能产生大于2000对的电子空穴对。在VAPD中，Si-APD的典型增益为500倍，因而VAPD的增益可以达到106倍。
VAPD单光子探测器是一种PMT和APD相结合的产物，具有许多PMT和APD无法比拟的优点。VAPD单光子探测器是一种PMT和APD相结合的产物，具有许多PMT和APD无法比拟的优点。 • 其主要特点有：低噪声、动态范围大、分辨率高、抗磁干扰能力强、探测光谱范围宽等特点。
三、单光子探测器的现状及其发展 • 对于可见光探测，光电倍增管有很好的响应度，暗电流也非常小，很早就用于单光子计数，现在技术已经比较成熟，市场上也有了不少类似的产品。 • 随着人们对红外光研究的不断深入，特别是近年来量子通信技术、量子密码术的研究不断引起各国的重视，对红外通信波段（850nm、1310nm和1550nm）单光子探测器的研究尤为迫切。 • 光电倍增管却显得无能为力，即使是最好的红外光阴极-Si阴极，光谱响应到1050nm就已经截止了，仅这一点就排除了光电倍增管在红外通信波段的应用。
在850nm波段，考虑到光电倍增管工作电压很高和使用维护的复杂程度，在实际应用中人们还是选用Si-APD雪崩光电二极管。在850nm波段，考虑到光电倍增管工作电压很高和使用维护的复杂程度，在实际应用中人们还是选用Si-APD雪崩光电二极管。 • 现在对Si的研究已经趋于成熟，Si-APD也已经有了比较好的制造工艺。国外已经有公司开发出了专门针对850nm单光子探测的商用Si-APD。 • 在1310nm和1550nm波段， Si-APD已经不能用于进行单光子探测了，一般选用InGaAs-APD，但由于制造工艺的问题，目前还没有专门针对单光子探测的商用InGaAs-APD。目前对这两个波段的单光子探测一般都是关于利用现有针对光纤通信的商用APD，通过优化外围驱动电路，改善工作环境，使其达到单光子探测的目的。
目前对单光子探测器将主要从两个方面去研究 • 一方面，研制和开发有高灵敏度新型结构的光探测器； • 另一方面，研究和改进探测器的外围控制驱动技术，利用现有的探测器进行单光子探测。
四、PMT单光子计数器的组成 • 单光子计数器由光电倍增管（PMT），前置放大器，幅度鉴别器和计数器构成。 • 高压电源来是PMT正常工作；PMT必须配备制冷器以减少阴极的热电子发射。
PMT单光子计数系统工作原理 • PMT接受光辐射； • 阳极产生电流脉冲并经过阳极负载输出； • 经过放大器信号放大后送到鉴别器； • 鉴别器通过设置第一鉴别电平和第二鉴别电平来减少暗电流和干扰； • 计数器计得信号脉冲的个数并显示出来。
2光电倍增管及偏置电路与接地方式 • 光电倍增管是光子计数器的核心部体，它将接收到的一个一个光子转变为电脉冲信号。 • 要使光电倍增管正常工作，必须配备致冷器和高压电源。 • 并不是所有的光电倍增管都适于制作光子计数器。对用于光子计数器的光电倍增管有一些特殊的要求。
1.光电倍增管的工作原理回顾 • 光电倍增管是利用外光电效应把入射光子转变为光电信号的探测器。 • 光电倍增管的结构示意图如图所示。 D2 D4 D6 D8 D10 D1 D3 D5 D7 D 9
2.倍增极结构与渡越时间的关系 • 光电倍增管的渡越时间：从光电阴极K接受一个光子开始，到阳极收集到D10发射的二次电子为止，所需的时间为τ。渡越时间τ是一个平均值。 • 渡越时间离散：由于各极二次电子飞越的轨道不可能完全一致，渡越时间也就不可能完全相等，因此，阳极从收集到第一个二次电子和最后一个二次电子的时间是不同的，这个时间差称为渡越时间离散，记为Δτ。 • 渡越时间离散Δτ和渡越时间τ都和光电倍增管的结构有关 。 • 渡越时间离散降低了PMT的频率响应特性。
渡越时间离散的影响 • 阳极电流脉冲的宽度：阳极电流脉冲的形状中，tw为光电流脉冲的半宽度，即幅度下降至一半时所对应的脉宽。 • 阳极电流脉冲的宽度与渡越时间离散程度成正比，越宽就越容易产生交叠。目前，用于光子计数的光电倍增管的输出阳极电流脉冲半宽度约为10－30ns。 • 为了充分利用光电倍增管的响应速度，光电倍增管的电路时间常量应小小于tw。
聚焦电极 K A • 直列聚焦式光电倍增管，结构如图所示。它的渡越时间离散Δτ很小，渡越时间τ也较小。若将其光阴极也制成曲面形状，则这种管子最为适宜作光子计数器使用。
3.PMT的增益与二次电子发射系数回顾 • 倍增管的增益G定义为 • 二次电子发射系数δ又称为倍增系数 δ值一般为3~6，视倍增极的材料和工作偏压而定。
在理想情况下，设阴极和倍增极发射的电子都被阳极所收集，则光电倍增管的增益G和倍增极的二次电子发射系数m之间的关系为:在理想情况下，设阴极和倍增极发射的电子都被阳极所收集，则光电倍增管的增益G和倍增极的二次电子发射系数m之间的关系为: n为倍增极的个数，一般为9~14； • 若倍增系数相等，m的取值范围按3~6计，n按9~14计，则光电倍增管的增益G可高达7.8×1010，一般为105~108之间。
4.光电倍增管的阳极电流脉冲与输出电压脉冲 一个光子被光电倍增管的光阴极吸收后，如果能在阳极形成一个电流脉冲，则其形状如图（b）所示。其中图（a）为电荷累积的时间。 • 电流的脉冲宽度tw的典型值一般为10~20ns。 • 取光电倍增管的增益G=106，tw=20ns，则可计算出阳极电流脉冲的高度为：
阳极输出电压脉冲Va的形状与大小，与阳极负载Ra和分布电容Ca有很大的关系。对于设计得好的光子计数器，Ca≤20pF，取阳极负载Ra=50Ω，则阳极时间常数RaCa=1ns。在这种情况下，电压脉冲与电流脉冲形状相同，如图（c）所示。阳极输出电压脉冲Va的形状与大小，与阳极负载Ra和分布电容Ca有很大的关系。对于设计得好的光子计数器，Ca≤20pF，取阳极负载Ra=50Ω，则阳极时间常数RaCa=1ns。在这种情况下，电压脉冲与电流脉冲形状相同，如图（c）所示。 • 加大电容将使脉冲变小变宽； • 加大电阻则将使脉冲变大变宽，均不符合光子计数的要求。
在正常的RaCa情况下，阳极电压的幅度为 • 注意，这个数据是以光电倍增管的增益G=106为例计算得出的，不同的光电倍增管，其增益G是不同的，且G与偏置电压有关。 • 为了使得光子计数器的光电倍增管正常地工作，获得稳定的增益G并使阳极输出电压有最大的信噪比和窄的脉冲高度，必须设计合理的偏置电路。
5.光电倍增管的偏置电路 光电倍增管的偏置电路都是用电阻分压器组成如图。 • 一般总电压Vak在900~2000V之间，由实验确定。 • 各倍增极电压在80~150V之间。 各倍增极电压的稳定与否将严重地影响光电倍增管的增益G的稳定性。
分压电阻的选取 • 为了减小倍增极电流变化带来的倍增极电压不稳，要求各分压电阻取得适当值以保证流过电阻链的电流IR比最大阳极电流Iamax大得多。 • 通常要求 IR≥20Iamax 但是IR值也不能取得太大，否则分压电阻的功耗增大，分压电阻的功耗过大会使光电倍增管的管壳内温度明显升高，从而增加热电子发射，即增加了噪声。 • 分压电阻值通常在20KΩ~1MΩ范围内。
末极并联稳压电容选取 • 由于最后几级倍增极的瞬时电流很大，会使R9~R11上的压降产生明显的跳变，导致倍增极电压不稳。在最后三级电阻上并联稳压电容C2、C2和C3，使电阻链上的分压基本不变。 • 电容值的大小，可根据稳压要求决定。 • 通常并联电容值在0.002~0.05μF之间。
接地方式 光电倍增管工作时，阳极电压总是高于阴极电压。但其接地方式有两种。 • 一种是阳极为正高压的阴极接地；另一种是阴极为负高压的阳极接地。
两种接地方式的优缺点 • 阴极接地时，阳极输出必须接一个耐高压的电容器，以便将阳极高压和前置前大器隔离，这个电容器的接入使得输出端RaCa时间常数变大，破坏了输出的高频特性。
阳极接地的优点：可直接与前置放大器耦合。缺点是噪声比较大。阳极接地的优点：可直接与前置放大器耦合。缺点是噪声比较大。 • 这种接法：阴极为负高压，光电倍增管工作时为了安全一般外罩必须接地，这就意味着外罩的壁和光电倍增管内部电极之间有很大的负压，特别是对阳极和靠近阳极的倍增极，由于这个高压，可能在阴极和倍增极与外罩间形成漏电流，这个漏电流流经玻璃时会产生荧光。荧光发射的光子将会到达光阴极，产生误计数。 • 解决方法：在光电倍增管的管壁和外罩内壁之间加一屏蔽，并一电阻联到阳极，以避免漏电流流经光电倍增管的管壁，从而消除了荧光带来的误计数。
3 光子计数过程中的噪声 一、光子噪声 目前，PMT的光谱响应受光阴极材料的限制，通常只工作在可见光和近红外光谱段。在这个光谱区域，光子的发射可视为泊松过程。 • 光阴极发射光电子数目的方差
二、暗计数噪声 • 来源 1.环境温度的影响造成光阴极发射的热电子(称为暗电子)。发射的热电子在PMT中获得的增益较小，因而在阳极输出的电流脉冲的幅度亦较低，可以来用脉冲幅度鉴别的方法消除。 2.由于PMT工作在高压偏置状态，各电极之间有可能产生放电而引起场致发光。这种发光将引起光阴极的电子发射，产生暗计数噪声。 3.PMT内部可能存在的各种离子在高压电场作用下以较大的能量轰击光阴极而使光阴极产生电子发射。由于轰击的能量较大，一般情况下会同时激发出两个以上的电子。这样得到的阳极电流脉冲幅度较大，也可以采取脉冲幅度鉴别的办法消除。
热噪声引起的暗计数方差 • 总的噪声方差 • 光子计数过程中的信噪比
4光子计数器中的放大器 • 光子计数器中的光电倍增管一般采用阳极接地方式工作，这样阳极输出电流脉冲可直接耦合到一个低输入阻抗的宽频带放大器的输入端。
如果阳极脉冲电流幅度为8μA，宽度为20ns，前置放大器的输入阻抗为50Ω，则前放输入端电压脉冲幅度为0.4mV，脉冲宽度亦为20ns。假定该脉冲近似为矩形方波，该信号的带宽Bf =50MHz； • 如果tw=10ns，则B=100MHz。 • 因此前置放大器的通频带必须大于100MHz。 所以，与光电倍增管阳极输出相连的前置放大器 应是低噪声宽带放大器。
5 光子计数器测量弱光的极限 • 光子计数器是测量弱光的仪器，只能对一定光子速率以下的光子束进行计数测量。 • 这个速率是由光电倍增管的渡越时间离散Δτ决定的。若其决定的输出电流脉冲的半宽度tw为10~20ns，假定后续的放大器有足够的带宽，鉴别器和脉冲计数器有足够高的速率，为了分辨每个光电脉冲，可求出允许的光子速率最大值为：
以发射560nm波长黄绿光的发光二极管为例，计算其允许的最大辐射通量为 ： • 实际上光子计数器可以测量计数的弱光的光强要远低于这个数值，约在10-14瓦以下。有的甚至达到 10-18W。
（a）光强10-13瓦光电速率脉冲及噪声 （b）光强10-14瓦光电速率脉冲及噪声 （c）光强10-15瓦光电速率脉冲及噪声 （d）光强10-16瓦光电速率脉冲及噪声 • 用光子计数器对波长为560nm的弱光进行探测时，在示波器上显示的光电倍增管输出电流波形如图所示。 • 光功率为10-13瓦时，已看不到清晰的脉冲说明光电管倍增管已来不及分辨单个光子了。
光子速率R（光子数/秒）和光功率P之间的对应数值关系及适应的检测方法如下表:光子速率R（光子数/秒）和光功率P之间的对应数值关系及适应的检测方法如下表: • 光子计数器只能测量微弱光和超微弱光的功率，不能测量功率大于10-10W的光束功率，即不能测量含有多光子的光脉冲功率。
6光子计数器中的鉴别器 • 鉴别器的任务是要将由光子产生的脉冲电压选择出来进行计数而将倍增极热电子发射产生的小脉冲去掉。 • 光阴极的热电子发射产生的暗计数脉冲，由于它和光子产生的脉冲幅度一样，因此鉴别器是无法将它去掉的，这种暗计数只有通过两次测量进行扣除。 • 在进行高光功率的测量时，可能存在双光子峰，因此鉴别器还必须对这种脉冲幅度是正常单光子脉冲2倍的双光子脉冲要输出2个脉冲供计数器计数。
双阀值鉴别器方框图如图所示:这种鉴别器由于有二个阀值电平，故可设有三种工作方式，。双阀值鉴别器方框图如图所示:这种鉴别器由于有二个阀值电平，故可设有三种工作方式，。
这种鉴别器由于有二个阀值电平，故可设有三种工作方式（1）单电平工作方式（2）窗口工作方式（3）校正工作方式这种鉴别器由于有二个阀值电平，故可设有三种工作方式（1）单电平工作方式（2）窗口工作方式（3）校正工作方式
第一鉴别电平和第二鉴别电平值，由PMT的脉冲高度分布 （PHD）曲线决定
7光电倍增管的单光子响应峰 可以通过实验来获得光电倍增管的脉冲高度分布曲线。 • 下图为测量光电倍增管的脉冲高度分布曲线的原理框图。
光子计数器中使用的光电倍增管除了要达到前述的有关特性和要求之外，还应该有明显的单光子响应峰。光子计数器中使用的光电倍增管除了要达到前述的有关特性和要求之外，还应该有明显的单光子响应峰。 • 峰谷比越大或分辨率越小的光电倍增管越适合于光子计数器使用。 • 在低计数率的弱光下不存在明显的双光子峰。
8 光电倍增管的计数坪区—最佳偏压的选择 • 对同一个光电倍增管测量它的计数率和阳极与阴极高压之间的关系时，发现当高压增加时，计数率增加。 • 随着高压的增加，计数率逐渐出现一个变化缓慢的坪区。将光电倍增管置于完全黑暗状态测量其暗计数，则发现暗计数与高压的关系不存在坪区，暗计数是随高压增加而不断增加。
