文章编号：1007-9831（2011）01- 单光子计数系统的研究 杨太祥，刘桂芳,彭希夫 指导老师:熊狂炜 （华东交通大学 应用物理系，江西 南昌 330013） 摘要：通过实验确定单光子计数系统的最佳甄别电压，研究外界各种因素对单光子计数系统信噪比的影响，运用MATLAB软件拟合实验数据曲线，由实验曲线得出相关结论． 关键字：单光子计数；弱光信号；信噪比 中图分类号：O463 文献标识码：A 弱光信号的检测在各个领域上的运用越来越普遍，而单光子计数技术就是检测弱光信号的一种非常受欢迎的技术．单光子计数在生物医学、环保检测、化学分析、放射探测、激光测量等领域有着广泛的应用． 本文对单光子计数系统进行了研究，从改变光功率、积分时间、减光片等几方面进行实验，利用MATLAB软件对实验数据进行曲线拟合，由实验曲线确定了最佳甄别电压，并分析了这些因素对信噪比的影响．另外，还研究了光计数率与光功率之间的关系． 1 单光子计数系统的原理[1] 单光子计数器是利用弱光信号下光电倍增管的光电输出电流信号自然离散，从而采用脉冲高度甄别和数字计数技术将淹没在背景噪声中的弱光信号提取出来．入射光子在倍增管里形成的光电子脉冲和噪声脉冲经过放大器线性放大后进入脉冲幅度甄别器，在甄别器中设置合适的甄别电平将光电子脉冲甄别出来，从而实现光子计数． 图1 单光子计数器原理图 图2 光电倍增管输出脉冲分布（微分）曲线 收稿日期： 基金项目: 华东交通大学校立科研基金资助项目（09JC03） 作者简介：刘桂芳（1990-），女，江西乐平人，在读本科生 通讯作者：熊狂炜（1977-） 男，江西南昌人，华东交通大学讲师，Email:49548967@ecjtu.jx.cn 2 实验内容 2.1 弱光源发射的光子的泊松统计分布 一个弱光源发射的光子是分立的，是彼此孤立的独立事件，但通过观察和研究发现，发射的光子在时间分布上是服从泊松分布的．则在时间t内有n个光子到达光电被增管阴极的概率为： RtneRtPn,t n!其中R为发射光子的平均速率，为光电倍增管的量子效率，t为测试的时间间隔，n为时间t内到达光电倍增管光子数．我们测试了在阈值方式下，采样时间为1 000 ms条件下的光计数数据，通过拟合得到发射的光子在时间分布上是服从泊松分布的． [2] 图3 在阈值方式下光子计数的泊松分布 2.2 确定最佳甄别电压 2.2.1 取不同光功率时 在阈值方式下，积分时间为1 000 ms，用透光率1.5%，1.5%的减光片组，光功-13-13-13-13-13率P0分别取1.289×10，1.61×10，1.934×10，2.256×10，2.579×10 W时实验的微分曲线，由曲线可知甄别电压不随光功率的变化而变化，从图中可以读出最佳甄别电压10 V．且光功率递增时，噪声计数与信号计数均以一定比例增加. [3] 图4 阈值方式下不同光功率的单光子计数微分曲线 2.2.2 积分时间不同时 光功率为2.2561013 W， 用透光率为1.5%，1.5%减光片组的条件下，分别取积分时间在500，1 000，1 500，2 000，2 500 ms时的微分曲线.如图可知，最佳甄别电压为10 V不随采样间隔与积分时间变化，当积分时间递增时，噪声计数与信号计数均以一定比例增加. 图5 不同积分时间下微分曲线 2.3 不同光功率对信噪比的影响 在时间方式下，阈值取最佳甄别电压10 V，用透光率1.5%，1.5%减光片组，积分时间为1 000 ms的-13-13-13-13-13条件下，分别取光功率为0.9672×10，1.289×10，1.61×10，1.934×10，2.256×10，2.579× 10，2.902×10，3.224×10 W，信噪比为SNR-13-13-13RtRtRntAB与光功率成线性关系，随着光功率的增加，信噪比以一定比例线性增加． AB.由图6可知，实验测得信噪比 图6 信噪比和光功率的关系曲线 2.4 不同积分时间对信噪比的影响 -13在时间方式下，阈值取最佳甄别电压10 V，用透光率为1.5%，1.5%的减光片组，光功率为2.256×10 W，分别取积分时间为500，1 000，1 500，2 000，2 500，3 000，3 500，4 000 ms， 信噪比为RtABSNR.由图7可知随着积分时间的增加信噪比也以一定的比例规律增加． RtRntAB图7 信噪比和积分时间的关系曲线 2.5 不同减光片组对信噪比的影响 -13在时间方式下，阈值取最佳甄别电压10 V，光功率为4.512×10 W条件下，分别选用透光率为①10%，10%，10.4%，②10.4%，10.4%，10%，③1.5%，1.5%，④1.5%，10%，⑤1.5%，10.4%减光片组，信噪比为RtABSNR.由图8可知随着减光片数目的增加，信噪比以一定的比例增加． RtRntAB 图8 信噪比和不同透过率的减光片组的关系曲线 2.6 光功率和实际光计数率的关系 在时间方式下，阈值取最佳甄别电压10 V，用透光率为1.5%，1.5%减光片组，积分时间为1 000 ms-13-13-13-13-13的条件下，分别取光功率为0.9672×10，1.289×10，1.61×10，1.934×10，2.256×10，2.579-13-13-13×10，2.902×10，3.224×10 W，光计数率RpNt，t为采样时间，我们实验采用的采样时间为1 000 ms，所以Rp即为光子数．由图9可知随着光功率的增加，光计数率也不断增加． 图9 实际光计数率与光功率的关系曲线 3 结论 在单光子计数实验中，运用MATLAB软件将实验数据拟合后，我们发现最佳甄别电压不随外界光功率和积分时间改变而改变，最佳甄别电压是单光子计数的一个固有性质，不同的单光子计数系统最佳甄别电压不同；同时，在增大光功率、延长积分时间、采用透过率高的减光片组的条件下均能增大信噪比．另外外界光功率的增大会使光计数率以一定的比例增加． 所以，我们可以通过改变光功率，积分时间和减光片组等因素，在最佳甄别电压下找出最佳信噪比，使有用信号能更好的利用． 参考文献： [1] 吴思诚 王祖铨．近代物理实验[M]．北京：高等教育出版社，2005．5：192-202． [2] 曾庆勇．微弱信号检测[M]．浙江：浙江大学出版社，1993．6：157-159． [3] 李维勇 常大定. 单光子计数系统研究[D]. 湖北武汉：2007.1. Studies of the single photon counter system Liu Gui-fang，Xiong Kuang-wei，Liu Wen-Cao （Department of Physics，East China Jiaotong University，Nan chang 330013，China） Abstract：Determining the best discrimination voltage of single photon counting system through the experiments，researching the influences of various factors to the signal-to-noise ratio of the single photon counting system，using MATLAB software to fit the curves of the experimental data，obtaining the conclusion by the curves． Key words：single-photon counting；weak light signals；signal-to-noise ratio 本文来源：https://www.wddqw.com/doc/0e30555a24284b73f242336c1eb91a37f1113211.html