光子計(jì)數(shù)器1光子計(jì)數(shù)器1光子計(jì)數(shù)器1概述2光電倍增管及偏置電路與接地方式3光子計(jì)數(shù)過程中的噪聲4光子計(jì)數(shù)器中的放大器5光子計(jì)數(shù)器測量弱光的上限6光子計(jì)數(shù)器中的鑒別器7光電倍增管的單光子響應(yīng)峰8光電倍增管的計(jì)數(shù)坪區(qū)——最佳偏壓的選擇2光子計(jì)數(shù)器1概述2一、單光子計(jì)數(shù)技術(shù)利用弱光照射下光電探測器輸出電信號自然離散的特點(diǎn)，采用脈沖甄別技術(shù)和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)把極其微弱的信號識別并提取出來。單光子計(jì)數(shù)探測技術(shù)是一種極微弱光探測法。它所探測的光的光電流強(qiáng)度比光電檢測器本身在室溫下的熱噪聲水平（10-14W）還要低，用通常的直流檢測方法不能把這種湮沒在噪聲中的信號提取出來。1概述3一、單光子計(jì)數(shù)技術(shù)1概述3單光子探測技術(shù)應(yīng)用：高分辨率的光譜測量、非破壞性物質(zhì)分析、高速現(xiàn)象檢測、精密分析、大氣測污、生物發(fā)光、放射探測、高能物理、天文測光、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)等領(lǐng)域。單光子探測器在高技術(shù)領(lǐng)域具有重要地位，成為各國光電子學(xué)界重點(diǎn)研究的課題之一。4單光子探測技術(shù)應(yīng)用：4這種技術(shù)和模擬檢測技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：●測量結(jié)果受光電探測器的漂移、系統(tǒng)增益變化以及其它不穩(wěn)定因素的影響較小；●消除了探測器的大部分熱噪聲的影響，大大提高了測量結(jié)果的信噪比；●有比較寬的線性動態(tài)區(qū)；●輸出數(shù)字信號，適合與計(jì)算機(jī)接口連接進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理。

5這種技術(shù)和模擬檢測技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：5二、單光子計(jì)數(shù)的光電器件可用來作為單光子計(jì)數(shù)的光電器件有許多種，光電倍增管（PMT）、雪崩光電二極管（APD）、增強(qiáng)型光電二極管（IPD）、微通道板（MCP）、微球板（MSP）真空光電二極管（VAPD）6二、單光子計(jì)數(shù)的光電器件可用來作為單光子計(jì)數(shù)的光電器件有許多1.光電倍增管（PMT）單光子探測器

單光子探測需要的光電倍增管要求增益高、暗電流小、噪聲低、時間分辨率高、量子效率高、較小的上升和下降時間。

特點(diǎn)：具有高的增益（104～107）；大光敏面積；低噪聲等效功率（NEP）；體積龐大、量子效率低下、反向偏壓高；僅能夠工作在UV和可見光譜范圍內(nèi)；抗外部磁場能力較差。

71.光電倍增管（PMT）單光子探測器單光子探測需要的光電倍2、雪崩光電二極管（APD）

雪崩光電二極管不同于光電倍增管，它是一種建立在內(nèi)光電效應(yīng)基礎(chǔ)上的光電器件。雪崩光電二極管具有內(nèi)部增益和放大的作用，一個光子可以產(chǎn)生10~100對光生電子空穴對，從而能夠在器件內(nèi)部產(chǎn)生很大的增益。82、雪崩光電二極管（APD）雪崩光電二極管不同于光電倍增管目前應(yīng)用的APD主要有三種，即Si-APD、Ge-APD和InGaAs-APD。它們分別對應(yīng)不同的波長。Si-APD主要工作在400nm～1100nm，Ge-APD在800nm～1550nm，InGaAs-APD則在900nm～1700nm。已經(jīng)有了相關(guān)的報(bào)道：在光通信三個波段（即850nm、1310nm和1550nm）的單光子探測器用于量子密鑰系統(tǒng)。9目前應(yīng)用的APD主要有三種，即9APD單光子計(jì)數(shù)具有量子效率高、功耗低、工作頻譜范圍大、體積小、工作電壓較低等優(yōu)點(diǎn)。但是同時也有增益低、噪聲大，外圍控制電路及熱電制冷電路較復(fù)雜等缺點(diǎn)。10APD單光子計(jì)數(shù)具有量子效率高、功耗低、工作頻譜范圍大、體積3、真空雪崩光電二極管（VAPD）

針對PMT和APD的缺點(diǎn)，目前開發(fā)出一種真空雪崩光電二極管（VAPD）單光子探測器，它是由光陰極和一個具有大光敏區(qū)面積的半導(dǎo)體硅APD組成。光陰極和APD之間保持高真空態(tài)，光子信號打到光陰極上，產(chǎn)生光電子，這些光電子在高壓電場的作用下加速，然后再打到APD上。對于硅APD，這些光電子的能量約為硅禁帶能量的2000倍，這樣一個光電子就能產(chǎn)生大于2000對的電子空穴對。在VAPD中，Si-APD的典型增益為500倍，因而VAPD的增益可以達(dá)到106倍。113、真空雪崩光電二極管（VAPD）針對PMT和APD的缺點(diǎn)VAPD單光子探測器是一種PMT和APD相結(jié)合的產(chǎn)物，具有許多PMT和APD無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。其主要特點(diǎn)有：低噪聲、動態(tài)范圍大、分辨率高、抗磁干擾能力強(qiáng)、探測光譜范圍寬等特點(diǎn)。12VAPD單光子探測器是一種PMT和APD相結(jié)合的產(chǎn)物，具有許三、單光子探測器的現(xiàn)狀及其發(fā)展對于可見光探測，光電倍增管有很好的響應(yīng)度，暗電流也非常小，很早就用于單光子計(jì)數(shù)，現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)比較成熟，市場上也有了不少類似的產(chǎn)品。隨著人們對紅外光研究的不斷深入，特別是近年來量子通信技術(shù)、量子密碼術(shù)的研究不斷引起各國的重視，對紅外通信波段（850nm、1310nm和1550nm）單光子探測器的研究尤為迫切。光電倍增管卻顯得無能為力，即使是最好的紅外光陰極-Si陰極，光譜響應(yīng)到1050nm就已經(jīng)截止了，僅這一點(diǎn)就排除了光電倍增管在紅外通信波段的應(yīng)用。13三、單光子探測器的現(xiàn)狀及其發(fā)展對于可見光探測，光電倍增管有很在850nm波段，考慮到光電倍增管工作電壓很高和使用維護(hù)的復(fù)雜程度，在實(shí)際應(yīng)用中人們還是選用Si-APD雪崩光電二極管。現(xiàn)在對Si的研究已經(jīng)趨于成熟，Si-APD也已經(jīng)有了比較好的制造工藝。國外已經(jīng)有公司開發(fā)出了專門針對850nm單光子探測的商用Si-APD。在1310nm和1550nm波段，Si-APD已經(jīng)不能用于進(jìn)行單光子探測了，一般選用InGaAs-APD，但由于制造工藝的問題，目前還沒有專門針對單光子探測的商用InGaAs-APD。目前對這兩個波段的單光子探測一般都是關(guān)于利用現(xiàn)有針對光纖通信的商用APD，通過優(yōu)化外圍驅(qū)動電路，改善工作環(huán)境，使其達(dá)到單光子探測的目的。14在850nm波段，考慮到光電倍增管工作電壓很高和使用維護(hù)的復(fù)目前對單光子探測器將主要從兩個方面去研究一方面，研制和開發(fā)有高靈敏度新型結(jié)構(gòu)的光探測器；另一方面，研究和改進(jìn)探測器的外圍控制驅(qū)動技術(shù)，利用現(xiàn)有的探測器進(jìn)行單光子探測。

15目前對單光子探測器將主要從兩個方面去研究15四、PMT單光子計(jì)數(shù)器的組成單光子計(jì)數(shù)器由光電倍增管（PMT），前置放大器，幅度鑒別器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。高壓電源來是PMT正常工作；PMT必須配備制冷器以減少陰極的熱電子發(fā)射。16四、PMT單光子計(jì)數(shù)器的組成單光子計(jì)數(shù)器由光電倍增管（PMPMT單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)工作原理PMT接受光輻射；陽極產(chǎn)生電流脈沖并經(jīng)過陽極負(fù)載輸出；經(jīng)過放大器信號放大后送到鑒別器；鑒別器通過設(shè)置第一鑒別電平和第二鑒別電平來減少暗電流和干擾；計(jì)數(shù)器計(jì)得信號脈沖的個數(shù)并顯示出來。17PMT單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)工作原理PMT接受光輻射；17光電倍增管是光子計(jì)數(shù)器的核心部體，它將接收到的一個一個光子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號。要使光電倍增管正常工作，必須配備致冷器和高壓電源。并不是所有的光電倍增管都適于制作光子計(jì)數(shù)器。對用于光子計(jì)數(shù)器的光電倍增管有一些特殊的要求。

2光電倍增管及偏置電路與接地方式18光電倍增管是光子計(jì)數(shù)器的核心部體，它將接收到的一個一個光子轉(zhuǎn)1.光電倍增管的工作原理回顧光電倍增管是利用外光電效應(yīng)把入射光子轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦盘柕奶綔y器。光電倍增管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。D1D3D5D7D9

D2D4D6D8D10

191.光電倍增管的工作原理回顧光電倍增管是利用外光電效應(yīng)把入2.倍增極結(jié)構(gòu)與渡越時間的關(guān)系光電倍增管的渡越時間：從光電陰極K接受一個光子開始，到陽極收集到D10發(fā)射的二次電子為止，所需的時間為τ。渡越時間τ是一個平均值。渡越時間離散：由于各極二次電子飛越的軌道不可能完全一致，渡越時間也就不可能完全相等，因此，陽極從收集到第一個二次電子和最后一個二次電子的時間是不同的，這個時間差稱為渡越時間離散，記為Δτ。渡越時間離散Δτ和渡越時間τ都和光電倍增管的結(jié)構(gòu)有關(guān)。渡越時間離散降低了PMT的頻率響應(yīng)特性。202.倍增極結(jié)構(gòu)與渡越時間的關(guān)系光電倍增管的渡越時間：從光電渡越時間離散的影響陽極電流脈沖的寬度：陽極電流脈沖的形狀中，tw為光電流脈沖的半寬度，即幅度下降至一半時所對應(yīng)的脈寬。陽極電流脈沖的寬度與渡越時間離散程度成正比，越寬就越容易產(chǎn)生交疊。目前，用于光子計(jì)數(shù)的光電倍增管的輸出陽極電流脈沖半寬度約為10－30ns。為了充分利用光電倍增管的響應(yīng)速度，光電倍增管的電路時間常量應(yīng)小小于tw。21渡越時間離散的影響陽極電流脈沖的寬度：陽極電流脈沖的形狀中，直列聚焦式光電倍增管，結(jié)構(gòu)如圖所示。它的渡越時間離散Δτ很小，渡越時間τ也較小。若將其光陰極也制成曲面形狀，則這種管子最為適宜作光子計(jì)數(shù)器使用。

聚焦電極KA22直列聚焦式光電倍增管，結(jié)構(gòu)如圖所示。它的渡越時間離散Δτ很小3.PMT的增益與二次電子發(fā)射系數(shù)回顧

倍增管的增益G定義為二次電子發(fā)射系數(shù)δ又稱為倍增系數(shù)δ值一般為3~6，視倍增極的材料和工作偏壓而定。233.PMT的增益與二次電子發(fā)射系數(shù)回顧倍增管的增益G定義為在理想情況下，設(shè)陰極和倍增極發(fā)射的電子都被陽極所收集，則光電倍增管的增益G和倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)m之間的關(guān)系為:

n為倍增極的個數(shù)，一般為9~14；若倍增系數(shù)相等，m的取值范圍按3~6計(jì)，n按9~14計(jì)，則光電倍增管的增益G可高達(dá)7.8×1010，一般為105~108之間。

24在理想情況下，設(shè)陰極和倍增極發(fā)射的電子都被陽極所收集，則光電一個光子被光電倍增管的光陰極吸收后，如果能在陽極形成一個電流脈沖，則其形狀如圖（b）所示。其中圖（a）為電荷累積的時間。電流的脈沖寬度tw的典型值一般為10~20ns。取光電倍增管的增益G=106，tw=20ns，則可計(jì)算出陽極電流脈沖的高度為：4.光電倍增管的陽極電流脈沖與輸出電壓脈沖25一個光子被光電倍增管的光陰極吸收后，如果能在陽極形成一個電流陽極輸出電壓脈沖Va的形狀與大小，與陽極負(fù)載Ra和分布電容Ca有很大的關(guān)系。對于設(shè)計(jì)得好的光子計(jì)數(shù)器，Ca≤20pF，取陽極負(fù)載Ra=50Ω，則陽極時間常數(shù)RaCa=1ns。在這種情況下，電壓脈沖與電流脈沖形狀相同，如圖（c）所示。加大電容將使脈沖變小變寬；加大電阻則將使脈沖變大變寬，均不符合光子計(jì)數(shù)的要求。26陽極輸出電壓脈沖Va的形狀與大小，與陽極負(fù)載Ra和分布電容C在正常的RaCa情況下，陽極電壓的幅度為注意，這個數(shù)據(jù)是以光電倍增管的增益G=106為例計(jì)算得出的，不同的光電倍增管，其增益G是不同的，且G與偏置電壓有關(guān)。為了使得光子計(jì)數(shù)器的光電倍增管正常地工作，獲得穩(wěn)定的增益G并使陽極輸出電壓有最大的信噪比和窄的脈沖高度，必須設(shè)計(jì)合理的偏置電路。27在正常的RaCa情況下，陽極電壓的幅度為27光電倍增管的偏置電路都是用電阻分壓器組成如圖。一般總電壓Vak在900~2000V之間，由實(shí)驗(yàn)確定。各倍增極電壓在80~150V之間。各倍增極電壓的穩(wěn)定與否將嚴(yán)重地影響光電倍增管的增益G的穩(wěn)定性。5.光電倍增管的偏置電路28光電倍增管的偏置電路都是用電阻分壓器組成如圖。5.光電倍增管為了減小倍增極電流變化帶來的倍增極電壓不穩(wěn)，要求各分壓電阻取得適當(dāng)值以保證流過電阻鏈的電流IR比最大陽極電流Iamax大得多。通常要求IR≥20Iamax但是IR值也不能取得太大，否則分壓電阻的功耗增大，分壓電阻的功耗過大會使光電倍增管的管殼內(nèi)溫度明顯升高，從而增加熱電子發(fā)射，即增加了噪聲。分壓電阻值通常在20KΩ~1MΩ范圍內(nèi)。分壓電阻的選取29為了減小倍增極電流變化帶來的倍增極電壓不穩(wěn)，要求各分壓電阻取由于最后幾級倍增極的瞬時電流很大，會使R9~R11上的壓降產(chǎn)生明顯的跳變，導(dǎo)致倍增極電壓不穩(wěn)。在最后三級電阻上并聯(lián)穩(wěn)壓電容C2、C2和C3，使電阻鏈上的分壓基本不變。電容值的大小，可根據(jù)穩(wěn)壓要求決定。通常并聯(lián)電容值在0.002~0.05μF之間。末極并聯(lián)穩(wěn)壓電容選取30由于最后幾級倍增極的瞬時電流很大，會使R9~R11上的壓降產(chǎn)光電倍增管工作時，陽極電壓總是高于陰極電壓。但其接地方式有兩種。一種是陽極為正高壓的陰極接地；另一種是陰極為負(fù)高壓的陽極接地。接地方式31光電倍增管工作時，陽極電壓總是高于陰極電壓。但其接地方式有兩陰極接地時，陽極輸出必須接一個耐高壓的電容器，以便將陽極高壓和前置前大器隔離，這個電容器的接入使得輸出端RaCa時間常數(shù)變大，破壞了輸出的高頻特性。兩種接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)32陰極接地時，陽極輸出必須接一個耐高壓的電容器，以便將陽極高壓陽極接地的優(yōu)點(diǎn)：可直接與前置放大器耦合。缺點(diǎn)是噪聲比較大。這種接法：陰極為負(fù)高壓，光電倍增管工作時為了安全一般外罩必須接地，這就意味著外罩的壁和光電倍增管內(nèi)部電極之間有很大的負(fù)壓，特別是對陽極和靠近陽極的倍增極，由于這個高壓，可能在陰極和倍增極與外罩間形成漏電流，這個漏電流流經(jīng)玻璃時會產(chǎn)生熒光。熒光發(fā)射的光子將會到達(dá)光陰極，產(chǎn)生誤計(jì)數(shù)。解決方法：在光電倍增管的管壁和外罩內(nèi)壁之間加一屏蔽，并一電阻聯(lián)到陽極，以避免漏電流流經(jīng)光電倍增管的管壁，從而消除了熒光帶來的誤計(jì)數(shù)。33陽極接地的優(yōu)點(diǎn)：可直接與前置放大器耦合。缺點(diǎn)是噪聲比較大。33光子計(jì)數(shù)過程中的噪聲一、光子噪聲目前，PMT的光譜響應(yīng)受光陰極材料的限制，通常只工作在可見光和近紅外光譜段。在這個光譜區(qū)域，光子的發(fā)射可視為泊松過程。光陰極發(fā)射光電子數(shù)目的方差343光子計(jì)數(shù)過程中的噪聲一、光子噪聲光陰極發(fā)射光電子數(shù)目的二、暗計(jì)數(shù)噪聲來源1.環(huán)境溫度的影響造成光陰極發(fā)射的熱電子(稱為暗電子)。發(fā)射的熱電子在PMT中獲得的增益較小，因而在陽極輸出的電流脈沖的幅度亦較低，可以來用脈沖幅度鑒別的方法消除。2.由于PMT工作在高壓偏置狀態(tài)，各電極之間有可能產(chǎn)生放電而引起場致發(fā)光。這種發(fā)光將引起光陰極的電子發(fā)射，產(chǎn)生暗計(jì)數(shù)噪聲。3.PMT內(nèi)部可能存在的各種離子在高壓電場作用下以較大的能量轟擊光陰極而使光陰極產(chǎn)生電子發(fā)射。由于轟擊的能量較大，一般情況下會同時激發(fā)出兩個以上的電子。這樣得到的陽極電流脈沖幅度較大，也可以采取脈沖幅度鑒別的辦法消除。35二、暗計(jì)數(shù)噪聲來源35熱噪聲引起的暗計(jì)數(shù)方差總的噪聲方差光子計(jì)數(shù)過程中的信噪比36熱噪聲引起的暗計(jì)數(shù)方差364

光子計(jì)數(shù)器中的放大器光子計(jì)數(shù)器中的光電倍增管一般采用陽極接地方式工作，這樣陽極輸出電流脈沖可直接耦合到一個低輸入阻抗的寬頻帶放大器的輸入端。374光子計(jì)數(shù)器中的放大器光子計(jì)數(shù)器中的光電倍增管一般采用陽如果陽極脈沖電流幅度為8μA，寬度為20ns，前置放大器的輸入阻抗為50Ω，則前放輸入端電壓脈沖幅度為0.4mV，脈沖寬度亦為20ns。假定該脈沖近似為矩形方波，該信號的帶寬Bf=50MHz；如果tw=10ns，則B=100MHz。因此前置放大器的通頻帶必須大于100MHz。所以，與光電倍增管陽極輸出相連的前置放大器應(yīng)是低噪聲寬帶放大器。38如果陽極脈沖電流幅度為8μA，寬度為20ns，前置放大器的輸光子計(jì)數(shù)器是測量弱光的儀器，只能對一定光子速率以下的光子束進(jìn)行計(jì)數(shù)測量。這個速率是由光電倍增管的渡越時間離散Δτ決定的。若其決定的輸出電流脈沖的半寬度tw為10~20ns，假定后續(xù)的放大器有足夠的帶寬，鑒別器和脈沖計(jì)數(shù)器有足夠高的速率，為了分辨每個光電脈沖，可求出允許的光子速率最大值為：5光子計(jì)數(shù)器測量弱光的極限

39光子計(jì)數(shù)器是測量弱光的儀器，只能對一定光子速率以下的光子束進(jìn)以發(fā)射560nm波長黃綠光的發(fā)光二極管為例，計(jì)算其允許的最大輻射通量為：實(shí)際上光子計(jì)數(shù)器可以測量計(jì)數(shù)的弱光的光強(qiáng)要遠(yuǎn)低于這個數(shù)值，約在10-14瓦以下。有的甚至達(dá)到10-18W。40以發(fā)射560nm波長黃綠光的發(fā)光二極管為例，計(jì)算其允許的最大用光子計(jì)數(shù)器對波長為560nm的弱光進(jìn)行探測時，在示波器上顯示的光電倍增管輸出電流波形如圖所示。光功率為10-13瓦時，已看不到清晰的脈沖說明光電管倍增管已來不及分辨單個光子了。

（a）

光強(qiáng)10-13瓦光電速率脈沖及噪聲

（b）

光強(qiáng)10-14瓦光電速率脈沖及噪聲

（c）

光強(qiáng)10-15瓦光電速率脈沖及噪聲

（d）

光強(qiáng)10-16瓦光電速率脈沖及噪聲

41用光子計(jì)數(shù)器對波長為560nm的弱光進(jìn)行探測時，在示波器上顯光子速率R（光子數(shù)/秒）和光功率P之間的對應(yīng)數(shù)值關(guān)系及適應(yīng)的檢測方法如下表:

光子計(jì)數(shù)器只能測量微弱光和超微弱光的功率，不能測量功率大于10-10W的光束功率，即不能測量含有多光子的光脈沖功率。

42光子速率R（光子數(shù)/秒）和光功率P之間的對應(yīng)數(shù)值關(guān)系及適應(yīng)的鑒別器的任務(wù)是要將由光子產(chǎn)生的脈沖電壓選擇出來進(jìn)行計(jì)數(shù)而將倍增極熱電子發(fā)射產(chǎn)生的小脈沖去掉。光陰極的熱電子發(fā)射產(chǎn)生的暗計(jì)數(shù)脈沖，由于它和光子產(chǎn)生的脈沖幅度一樣，因此鑒別器是無法將它去掉的，這種暗計(jì)數(shù)只有通過兩次測量進(jìn)行扣除。在進(jìn)行高光功率的測量時，可能存在雙光子峰，因此鑒別器還必須對這種脈沖幅度是正常單光子脈沖2倍的雙光子脈沖要輸出2個脈沖供計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。6光子計(jì)數(shù)器中的鑒別器43鑒別器的任務(wù)是要將由光子產(chǎn)生的脈沖電壓選擇出來進(jìn)行計(jì)數(shù)而將倍雙閥值鑒別器方框圖如圖所示:這種鑒別器由于有二個閥值電平，故可設(shè)有三種工作方式，。

44雙閥值鑒別器方框圖如圖所示:這種鑒別器由于有二個閥值電平，故這種鑒別器由于有二個閥值電平，故可設(shè)有三種工作方式

（1）單電平工作方式

（2）窗口工作方式

（3）校正工作方式45這種鑒別器由于有二個閥值電平，故可設(shè)有三種工作方式

（1）第一鑒別電平和第二鑒別電平值，由PMT的脈沖高度分布（PHD）曲線決定46第一鑒別電平和第二鑒別電平值，由PMT的脈沖高度分布（PH可以通過實(shí)驗(yàn)來獲得光電倍增管的脈沖高度分布曲線。下圖為測量光電倍增管的脈沖高度分布曲線的原理框圖。

7光電倍增管的單光子響應(yīng)峰47可以通過實(shí)驗(yàn)來獲得光電倍增管的脈沖高度分布曲線。7光電倍典型的PHD曲線窗口比較器有兩個比較電平VH和VL。VH為上限電平，VL為下限電平，當(dāng)輸入脈沖高度Vi在VH和VL之間時，即VH>Vi>VL，窗口比較器輸出一個計(jì)數(shù)脈沖，供計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。選定不同的窄窗口，對確定的時間間隔進(jìn)行計(jì)數(shù)，即可作出光電倍增管的PHD曲線。為了分析和比較的需要，定義峰谷比和分辨率：48典型的PHD曲線窗口比較器有兩個比較電平VH和VL。VH為光子計(jì)數(shù)器中使用的光電倍增管除了要達(dá)到前述的有關(guān)特性和要求之外，還應(yīng)該有明顯的單光子響應(yīng)峰。峰谷比越大或分辨率越小的光電倍增管越適合于光子計(jì)數(shù)器使用。在低計(jì)數(shù)率的弱光下不存在明顯的雙光子峰。49光子計(jì)數(shù)器中使用的光電倍增管除了要達(dá)到前述的有關(guān)特性和要求之對同一個光電倍增管測量它的計(jì)數(shù)率和陽極與陰極高壓之間的關(guān)系時，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高壓增加時，計(jì)數(shù)率增加。隨著高壓的增加，計(jì)數(shù)率逐漸出現(xiàn)一個變化緩慢的坪區(qū)。將光電倍增管置于完全黑暗狀態(tài)測量其暗計(jì)數(shù)，則發(fā)現(xiàn)暗計(jì)數(shù)與高壓的關(guān)系不存在坪區(qū)，暗計(jì)數(shù)是隨高壓增加而不斷增加。8光電倍增管的計(jì)數(shù)坪區(qū)—最佳偏壓的選擇50對同一個光電倍增管測量它的計(jì)數(shù)率和陽極與陰極高壓之間的關(guān)系時PMT的計(jì)數(shù)坪區(qū)51PMT的計(jì)數(shù)坪區(qū)51為了獲得最大信噪比，陽極對陰極的高壓應(yīng)選擇為ua1即計(jì)數(shù)率開始進(jìn)入坪區(qū)時的高壓，這是最佳偏置電壓。小的暗計(jì)數(shù)適合于光子計(jì)數(shù)器使用。52為了獲得最大信噪比，陽極對陰極的高壓應(yīng)選擇為ua1即計(jì)數(shù)率開光子計(jì)數(shù)器53光子計(jì)數(shù)器1光子計(jì)數(shù)器1概述2光電倍增管及偏置電路與接地方式3光子計(jì)數(shù)過程中的噪聲4光子計(jì)數(shù)器中的放大器5光子計(jì)數(shù)器測量弱光的上限6光子計(jì)數(shù)器中的鑒別器7光電倍增管的單光子響應(yīng)峰8光電倍增管的計(jì)數(shù)坪區(qū)——最佳偏壓的選擇54光子計(jì)數(shù)器1概述2一、單光子計(jì)數(shù)技術(shù)利用弱光照射下光電探測器輸出電信號自然離散的特點(diǎn)，采用脈沖甄別技術(shù)和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)把極其微弱的信號識別并提取出來。單光子計(jì)數(shù)探測技術(shù)是一種極微弱光探測法。它所探測的光的光電流強(qiáng)度比光電檢測器本身在室溫下的熱噪聲水平（10-14W）還要低，用通常的直流檢測方法不能把這種湮沒在噪聲中的信號提取出來。1概述55一、單光子計(jì)數(shù)技術(shù)1概述3單光子探測技術(shù)應(yīng)用：高分辨率的光譜測量、非破壞性物質(zhì)分析、高速現(xiàn)象檢測、精密分析、大氣測污、生物發(fā)光、放射探測、高能物理、天文測光、量子密鑰分發(fā)系統(tǒng)等領(lǐng)域。單光子探測器在高技術(shù)領(lǐng)域具有重要地位，成為各國光電子學(xué)界重點(diǎn)研究的課題之一。56單光子探測技術(shù)應(yīng)用：4這種技術(shù)和模擬檢測技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：●測量結(jié)果受光電探測器的漂移、系統(tǒng)增益變化以及其它不穩(wěn)定因素的影響較小；●消除了探測器的大部分熱噪聲的影響，大大提高了測量結(jié)果的信噪比；●有比較寬的線性動態(tài)區(qū)；●輸出數(shù)字信號，適合與計(jì)算機(jī)接口連接進(jìn)行數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)處理。

57這種技術(shù)和模擬檢測技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)：5二、單光子計(jì)數(shù)的光電器件可用來作為單光子計(jì)數(shù)的光電器件有許多種，光電倍增管（PMT）、雪崩光電二極管（APD）、增強(qiáng)型光電二極管（IPD）、微通道板（MCP）、微球板（MSP）真空光電二極管（VAPD）58二、單光子計(jì)數(shù)的光電器件可用來作為單光子計(jì)數(shù)的光電器件有許多1.光電倍增管（PMT）單光子探測器

單光子探測需要的光電倍增管要求增益高、暗電流小、噪聲低、時間分辨率高、量子效率高、較小的上升和下降時間。

特點(diǎn)：具有高的增益（104～107）；大光敏面積；低噪聲等效功率（NEP）；體積龐大、量子效率低下、反向偏壓高；僅能夠工作在UV和可見光譜范圍內(nèi)；抗外部磁場能力較差。

591.光電倍增管（PMT）單光子探測器單光子探測需要的光電倍2、雪崩光電二極管（APD）

雪崩光電二極管不同于光電倍增管，它是一種建立在內(nèi)光電效應(yīng)基礎(chǔ)上的光電器件。雪崩光電二極管具有內(nèi)部增益和放大的作用，一個光子可以產(chǎn)生10~100對光生電子空穴對，從而能夠在器件內(nèi)部產(chǎn)生很大的增益。602、雪崩光電二極管（APD）雪崩光電二極管不同于光電倍增管目前應(yīng)用的APD主要有三種，即Si-APD、Ge-APD和InGaAs-APD。它們分別對應(yīng)不同的波長。Si-APD主要工作在400nm～1100nm，Ge-APD在800nm～1550nm，InGaAs-APD則在900nm～1700nm。已經(jīng)有了相關(guān)的報(bào)道：在光通信三個波段（即850nm、1310nm和1550nm）的單光子探測器用于量子密鑰系統(tǒng)。61目前應(yīng)用的APD主要有三種，即9APD單光子計(jì)數(shù)具有量子效率高、功耗低、工作頻譜范圍大、體積小、工作電壓較低等優(yōu)點(diǎn)。但是同時也有增益低、噪聲大，外圍控制電路及熱電制冷電路較復(fù)雜等缺點(diǎn)。62APD單光子計(jì)數(shù)具有量子效率高、功耗低、工作頻譜范圍大、體積3、真空雪崩光電二極管（VAPD）

針對PMT和APD的缺點(diǎn)，目前開發(fā)出一種真空雪崩光電二極管（VAPD）單光子探測器，它是由光陰極和一個具有大光敏區(qū)面積的半導(dǎo)體硅APD組成。光陰極和APD之間保持高真空態(tài)，光子信號打到光陰極上，產(chǎn)生光電子，這些光電子在高壓電場的作用下加速，然后再打到APD上。對于硅APD，這些光電子的能量約為硅禁帶能量的2000倍，這樣一個光電子就能產(chǎn)生大于2000對的電子空穴對。在VAPD中，Si-APD的典型增益為500倍，因而VAPD的增益可以達(dá)到106倍。633、真空雪崩光電二極管（VAPD）針對PMT和APD的缺點(diǎn)VAPD單光子探測器是一種PMT和APD相結(jié)合的產(chǎn)物，具有許多PMT和APD無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。其主要特點(diǎn)有：低噪聲、動態(tài)范圍大、分辨率高、抗磁干擾能力強(qiáng)、探測光譜范圍寬等特點(diǎn)。64VAPD單光子探測器是一種PMT和APD相結(jié)合的產(chǎn)物，具有許三、單光子探測器的現(xiàn)狀及其發(fā)展對于可見光探測，光電倍增管有很好的響應(yīng)度，暗電流也非常小，很早就用于單光子計(jì)數(shù)，現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)比較成熟，市場上也有了不少類似的產(chǎn)品。隨著人們對紅外光研究的不斷深入，特別是近年來量子通信技術(shù)、量子密碼術(shù)的研究不斷引起各國的重視，對紅外通信波段（850nm、1310nm和1550nm）單光子探測器的研究尤為迫切。光電倍增管卻顯得無能為力，即使是最好的紅外光陰極-Si陰極，光譜響應(yīng)到1050nm就已經(jīng)截止了，僅這一點(diǎn)就排除了光電倍增管在紅外通信波段的應(yīng)用。65三、單光子探測器的現(xiàn)狀及其發(fā)展對于可見光探測，光電倍增管有很在850nm波段，考慮到光電倍增管工作電壓很高和使用維護(hù)的復(fù)雜程度，在實(shí)際應(yīng)用中人們還是選用Si-APD雪崩光電二極管。現(xiàn)在對Si的研究已經(jīng)趨于成熟，Si-APD也已經(jīng)有了比較好的制造工藝。國外已經(jīng)有公司開發(fā)出了專門針對850nm單光子探測的商用Si-APD。在1310nm和1550nm波段，Si-APD已經(jīng)不能用于進(jìn)行單光子探測了，一般選用InGaAs-APD，但由于制造工藝的問題，目前還沒有專門針對單光子探測的商用InGaAs-APD。目前對這兩個波段的單光子探測一般都是關(guān)于利用現(xiàn)有針對光纖通信的商用APD，通過優(yōu)化外圍驅(qū)動電路，改善工作環(huán)境，使其達(dá)到單光子探測的目的。66在850nm波段，考慮到光電倍增管工作電壓很高和使用維護(hù)的復(fù)目前對單光子探測器將主要從兩個方面去研究一方面，研制和開發(fā)有高靈敏度新型結(jié)構(gòu)的光探測器；另一方面，研究和改進(jìn)探測器的外圍控制驅(qū)動技術(shù)，利用現(xiàn)有的探測器進(jìn)行單光子探測。

67目前對單光子探測器將主要從兩個方面去研究15四、PMT單光子計(jì)數(shù)器的組成單光子計(jì)數(shù)器由光電倍增管（PMT），前置放大器，幅度鑒別器和計(jì)數(shù)器構(gòu)成。高壓電源來是PMT正常工作；PMT必須配備制冷器以減少陰極的熱電子發(fā)射。68四、PMT單光子計(jì)數(shù)器的組成單光子計(jì)數(shù)器由光電倍增管（PMPMT單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)工作原理PMT接受光輻射；陽極產(chǎn)生電流脈沖并經(jīng)過陽極負(fù)載輸出；經(jīng)過放大器信號放大后送到鑒別器；鑒別器通過設(shè)置第一鑒別電平和第二鑒別電平來減少暗電流和干擾；計(jì)數(shù)器計(jì)得信號脈沖的個數(shù)并顯示出來。69PMT單光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)工作原理PMT接受光輻射；17光電倍增管是光子計(jì)數(shù)器的核心部體，它將接收到的一個一個光子轉(zhuǎn)變?yōu)殡娒}沖信號。要使光電倍增管正常工作，必須配備致冷器和高壓電源。并不是所有的光電倍增管都適于制作光子計(jì)數(shù)器。對用于光子計(jì)數(shù)器的光電倍增管有一些特殊的要求。

2光電倍增管及偏置電路與接地方式70光電倍增管是光子計(jì)數(shù)器的核心部體，它將接收到的一個一個光子轉(zhuǎn)1.光電倍增管的工作原理回顧光電倍增管是利用外光電效應(yīng)把入射光子轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦盘柕奶綔y器。光電倍增管的結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。D1D3D5D7D9

D2D4D6D8D10

711.光電倍增管的工作原理回顧光電倍增管是利用外光電效應(yīng)把入2.倍增極結(jié)構(gòu)與渡越時間的關(guān)系光電倍增管的渡越時間：從光電陰極K接受一個光子開始，到陽極收集到D10發(fā)射的二次電子為止，所需的時間為τ。渡越時間τ是一個平均值。渡越時間離散：由于各極二次電子飛越的軌道不可能完全一致，渡越時間也就不可能完全相等，因此，陽極從收集到第一個二次電子和最后一個二次電子的時間是不同的，這個時間差稱為渡越時間離散，記為Δτ。渡越時間離散Δτ和渡越時間τ都和光電倍增管的結(jié)構(gòu)有關(guān)。渡越時間離散降低了PMT的頻率響應(yīng)特性。722.倍增極結(jié)構(gòu)與渡越時間的關(guān)系光電倍增管的渡越時間：從光電渡越時間離散的影響陽極電流脈沖的寬度：陽極電流脈沖的形狀中，tw為光電流脈沖的半寬度，即幅度下降至一半時所對應(yīng)的脈寬。陽極電流脈沖的寬度與渡越時間離散程度成正比，越寬就越容易產(chǎn)生交疊。目前，用于光子計(jì)數(shù)的光電倍增管的輸出陽極電流脈沖半寬度約為10－30ns。為了充分利用光電倍增管的響應(yīng)速度，光電倍增管的電路時間常量應(yīng)小小于tw。73渡越時間離散的影響陽極電流脈沖的寬度：陽極電流脈沖的形狀中，直列聚焦式光電倍增管，結(jié)構(gòu)如圖所示。它的渡越時間離散Δτ很小，渡越時間τ也較小。若將其光陰極也制成曲面形狀，則這種管子最為適宜作光子計(jì)數(shù)器使用。

聚焦電極KA74直列聚焦式光電倍增管，結(jié)構(gòu)如圖所示。它的渡越時間離散Δτ很小3.PMT的增益與二次電子發(fā)射系數(shù)回顧

倍增管的增益G定義為二次電子發(fā)射系數(shù)δ又稱為倍增系數(shù)δ值一般為3~6，視倍增極的材料和工作偏壓而定。753.PMT的增益與二次電子發(fā)射系數(shù)回顧倍增管的增益G定義為在理想情況下，設(shè)陰極和倍增極發(fā)射的電子都被陽極所收集，則光電倍增管的增益G和倍增極的二次電子發(fā)射系數(shù)m之間的關(guān)系為:

n為倍增極的個數(shù)，一般為9~14；若倍增系數(shù)相等，m的取值范圍按3~6計(jì)，n按9~14計(jì)，則光電倍增管的增益G可高達(dá)7.8×1010，一般為105~108之間。

76在理想情況下，設(shè)陰極和倍增極發(fā)射的電子都被陽極所收集，則光電一個光子被光電倍增管的光陰極吸收后，如果能在陽極形成一個電流脈沖，則其形狀如圖（b）所示。其中圖（a）為電荷累積的時間。電流的脈沖寬度tw的典型值一般為10~20ns。取光電倍增管的增益G=106，tw=20ns，則可計(jì)算出陽極電流脈沖的高度為：4.光電倍增管的陽極電流脈沖與輸出電壓脈沖77一個光子被光電倍增管的光陰極吸收后，如果能在陽極形成一個電流陽極輸出電壓脈沖Va的形狀與大小，與陽極負(fù)載Ra和分布電容Ca有很大的關(guān)系。對于設(shè)計(jì)得好的光子計(jì)數(shù)器，Ca≤20pF，取陽極負(fù)載Ra=50Ω，則陽極時間常數(shù)RaCa=1ns。在這種情況下，電壓脈沖與電流脈沖形狀相同，如圖（c）所示。加大電容將使脈沖變小變寬；加大電阻則將使脈沖變大變寬，均不符合光子計(jì)數(shù)的要求。78陽極輸出電壓脈沖Va的形狀與大小，與陽極負(fù)載Ra和分布電容C在正常的RaCa情況下，陽極電壓的幅度為注意，這個數(shù)據(jù)是以光電倍增管的增益G=106為例計(jì)算得出的，不同的光電倍增管，其增益G是不同的，且G與偏置電壓有關(guān)。為了使得光子計(jì)數(shù)器的光電倍增管正常地工作，獲得穩(wěn)定的增益G并使陽極輸出電壓有最大的信噪比和窄的脈沖高度，必須設(shè)計(jì)合理的偏置電路。79在正常的RaCa情況下，陽極電壓的幅度為27光電倍增管的偏置電路都是用電阻分壓器組成如圖。一般總電壓Vak在900~2000V之間，由實(shí)驗(yàn)確定。各倍增極電壓在80~150V之間。各倍增極電壓的穩(wěn)定與否將嚴(yán)重地影響光電倍增管的增益G的穩(wěn)定性。5.光電倍增管的偏置電路80光電倍增管的偏置電路都是用電阻分壓器組成如圖。5.光電倍增管為了減小倍增極電流變化帶來的倍增極電壓不穩(wěn)，要求各分壓電阻取得適當(dāng)值以保證流過電阻鏈的電流IR比最大陽極電流Iamax大得多。通常要求IR≥20Iamax但是IR值也不能取得太大，否則分壓電阻的功耗增大，分壓電阻的功耗過大會使光電倍增管的管殼內(nèi)溫度明顯升高，從而增加熱電子發(fā)射，即增加了噪聲。分壓電阻值通常在20KΩ~1MΩ范圍內(nèi)。分壓電阻的選取81為了減小倍增極電流變化帶來的倍增極電壓不穩(wěn)，要求各分壓電阻取由于最后幾級倍增極的瞬時電流很大，會使R9~R11上的壓降產(chǎn)生明顯的跳變，導(dǎo)致倍增極電壓不穩(wěn)。在最后三級電阻上并聯(lián)穩(wěn)壓電容C2、C2和C3，使電阻鏈上的分壓基本不變。電容值的大小，可根據(jù)穩(wěn)壓要求決定。通常并聯(lián)電容值在0.002~0.05μF之間。末極并聯(lián)穩(wěn)壓電容選取82由于最后幾級倍增極的瞬時電流很大，會使R9~R11上的壓降產(chǎn)光電倍增管工作時，陽極電壓總是高于陰極電壓。但其接地方式有兩種。一種是陽極為正高壓的陰極接地；另一種是陰極為負(fù)高壓的陽極接地。接地方式83光電倍增管工作時，陽極電壓總是高于陰極電壓。但其接地方式有兩陰極接地時，陽極輸出必須接一個耐高壓的電容器，以便將陽極高壓和前置前大器隔離，這個電容器的接入使得輸出端RaCa時間常數(shù)變大，破壞了輸出的高頻特性。兩種接地方式的優(yōu)缺點(diǎn)84陰極接地時，陽極輸出必須接一個耐高壓的電容器，以便將陽極高壓陽極接地的優(yōu)點(diǎn)：可直接與前置放大器耦合。缺點(diǎn)是噪聲比較大。這種接法：陰極為負(fù)高壓，光電倍增管工作時為了安全一般外罩必須接地，這就意味著外罩的壁和光電倍增管內(nèi)部電極之間有很大的負(fù)壓，特別是對陽極和靠近陽極的倍增極，由于這個高壓，可能在陰極和倍增極與外罩間形成漏電流，這個漏電流流經(jīng)玻璃時會產(chǎn)生熒光。熒光發(fā)射的光子將會到達(dá)光陰極，產(chǎn)生誤計(jì)數(shù)。解決方法：在光電倍增管的管壁和外罩內(nèi)壁之間加一屏蔽，并一電阻聯(lián)到陽極，以避免漏電流流經(jīng)光電倍增管的管壁，從而消除了熒光帶來的誤計(jì)數(shù)。85陽極接地的優(yōu)點(diǎn)：可直接與前置放大器耦合。缺點(diǎn)是噪聲比較大。33光子計(jì)數(shù)過程中的噪聲一、光子噪聲目前，PMT的光譜響應(yīng)受光陰極材料的限制，通常只工作在可見光和近紅外光譜段。在這個光譜區(qū)域，光子的發(fā)射可視為泊松過程。光陰極發(fā)射光電子數(shù)目的方差863光子計(jì)數(shù)過程中的噪聲一、光子噪聲光陰極發(fā)射光電子數(shù)目的二、暗計(jì)數(shù)噪聲來源1.環(huán)境溫度的影響造成光陰極發(fā)射的熱電子(稱為暗電子)。發(fā)射的熱電子在PMT中獲得的增益較小，因而在陽極輸出的電流脈沖的幅度亦較低，可以來用脈沖幅度鑒別的方法消除。2.由于PMT工作在高壓偏置狀態(tài)，各電極之間有可能產(chǎn)生放電而引起場致發(fā)光。這種發(fā)光將引起光陰極的電子發(fā)射，產(chǎn)生暗計(jì)數(shù)噪聲。3.PMT內(nèi)部可能存在的各種離子在高壓電場作用下以較大的能量轟擊光陰極而使光陰極產(chǎn)生電子發(fā)射。由于轟擊的能量較大，一般情況下會同時激發(fā)出兩個以上的電子。這樣得到的陽極電流脈沖幅度較大，也可以采取脈沖幅度鑒別的辦法消除。87二、暗計(jì)數(shù)噪聲來源35熱噪聲引起的暗計(jì)數(shù)方差總的噪聲方差光子計(jì)數(shù)過程中的信噪比88熱噪聲引起的暗計(jì)數(shù)方差364

光子計(jì)數(shù)器中的放大器光子計(jì)數(shù)器中的光電倍增管一般采用陽極接地方式工作，這樣陽極輸出電流脈沖可直接耦合到一個低輸入阻抗的寬頻帶放大器的輸入端。894光子計(jì)數(shù)器中的放大器光子計(jì)數(shù)器中的光電倍增管一般采用陽如果陽極脈沖電流幅度為8μA，寬度為20ns，前置放大器的輸入阻抗為50Ω，則前放輸入端電壓脈沖幅度為0.4mV，脈沖寬度亦為20ns。假定該脈沖近似為矩形方波，該信號的帶寬Bf=50MHz；如果tw=10ns，則B=100MHz。因此前置放大器的通頻帶必須大于100MHz。所以，與光電倍增管陽極輸出相連的前置放大器應(yīng)是低噪聲寬帶放大器。90如果陽極脈沖電流幅度為8μA，寬度為20ns，前置放大器的輸光子計(jì)數(shù)器是測量弱光的儀器，只能對一定光子速率以下的光子束進(jìn)行計(jì)數(shù)測量。這個速率是由光電倍增管的渡越時間離散Δτ決定的。若其決定的輸出電流脈沖的半寬度tw為10~20ns，假定后續(xù)的放大器有足夠的帶寬，鑒別器和脈沖計(jì)數(shù)器有足夠高的速率，為了分辨每個光電脈沖，可求出允許的光子速率最大值為：5光子計(jì)數(shù)器測量弱光的極限

91光子計(jì)數(shù)器是測量弱光的儀器，只能對一定光子速率以下的光子束進(jìn)以發(fā)射560nm波長黃綠光的發(fā)光二極管為例，計(jì)算其允許的最大輻射通量為：實(shí)際上光子計(jì)數(shù)器可以測量計(jì)數(shù)的弱光的光強(qiáng)要遠(yuǎn)低于