单光子计数实验系统原理

单光子计数器方法利用弱光下光电倍增管输出电流信号自然离散的特征，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。当弱光照射到光阴极时，每个入射光子以一定的概率(即量子效率)使光阴极发射一个电子。这个光电子经倍增系统的倍增后在阳极回路中形成一个电流脉冲，通过负载电阻形成一个电压脉冲，这个脉冲称为单光子脉冲。除光电子脉冲外，还有各倍增极的热反射电子在阳极回路中形成的热反射噪声脉冲。热电子受倍增的次数比光电子少，因而它在阳极上形成的脉冲幅度较低。此外还有光阴极的热反射形成的脉冲。噪声脉冲和光电子脉冲的幅度的分布如图2-1所示。脉冲幅度较小的主要是热反射噪声信号，而光阴极反射的电子（包括光电子和热反射电子）形成的脉冲幅度较大，出现“单光电子峰”。用脉冲幅度甄别器把幅度低于Vh的脉冲抑制掉。只让幅度高于Vh的脉冲通过就能实现单光子计数。

单光子计数器中使用的光电倍增管其光谱响应应适合所用的工作波段，暗电流要小（它决定管子的探测灵敏度），响应速度及光阴极稳定。光电倍增管性能的好坏直接关系到光子计数器能否正常工作。

放大器的功能是把光电子脉冲和噪声脉冲线性放大，应有一定的增益，上升时间≤3ns,即放大器的通频带宽达100Mz；有较宽的线性动态范围及低噪声，经放大的脉冲信号送至脉冲幅度甄别器。

单光子计数器的框图见图2-2。

在脉冲幅度甄别器里设有一个连续可调的参考电压Vh。如图2-3所示，当输入脉冲高度低于Vh时，甄别器无输出。只有高于Vh的脉冲，甄别器输出一个标准脉冲。如果把甄别电平选在图2-3中的谷点对应的脉冲高度上，就能去掉大部分噪声脉冲而只有光电子脉冲通过，从而提高信噪比。脉冲幅度甄别器应甄别电平稳定；灵敏度高；死时间小、建立时间短、脉冲对分辨率小于10ns，以保证不漏计。甄别器输出经过整形的脉冲。

图2-3  甄别器工作示意图    (a)放大器输出   (b)甄别器输出

计数器的作用是在规定的测量时间间隔内将甄别器的输出脉冲累加计数