5.光子计数技术教程

光电信号处理第五章光子计数技术第五章光子计数技术§5.1光电倍增管§5.2光电倍增管的偏置电路与接地方式§5.3光子计数器中的放大器§5.4光子计数器测量弱光的上限§5.5光子计数器中的鉴别器§5.6光电倍增管的单光子响应峰§5.7光电倍增管的计数坪区——最佳偏压的选择§5.8光子计数器的测量误差分析§5.9光子计数器的测量方法与应用§5.10模拟光子计数器•单光子探测技术是一种极微弱光探测法所探测的光强度比光电传感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。•单光子计数方法利用弱光照射下光子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光信号识别并提取出来。光子计数技术概述单光子探测技术的应用领域：•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、光时域反射、•量子密钥分发系统等。由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，已经成为各国光电子学界重点研究的课题之一单光子探测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。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。•高压电源是使PMT正常工作；•PMT必须配备制冷器以减少阴极的热电子发射。系统工作原理PMT阴极接受光辐射，进行光电转换后，再经过打拿极放大，输出至阳极。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。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、量子效率高、较小的上升和下降时间。•特点：优点：有高的增益（104～107）大光敏面积低的噪声等效功率（NEP）缺点：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）单光子探测器•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。•雪崩光电二极管的工作原理：工作在反向偏压下，反向偏压越高，耗尽层当中的电场强度也就越大。当耗尽层中的电场强度达到一定程度时（材料不同，电场大小也不一样，如：Si-APD为105V/cm），耗尽层中的光生电子空穴对就会被电场加速，而获得巨大的动能，它们与晶格发生碰撞，就会产生新的二次电离的光生电子空穴对，新的电子空穴对又会在电场的作用下获得足够的动能，再一次与晶格碰撞又产生更多的光生电子空穴对，如此下去，形成了所谓的“雪崩”倍增，使信号电流放大。目前应用的APD主要有三种：•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。•国内成功地制作了850nm波长的单光子探测器，并在850nm的单模光纤中完成了量子密码通信演示性实验。•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。•总的来说，比起国外目前的水平，我国在单光子探测领域还有较大差距。3、真空雪崩光电二极管（VAPD）单光子探测器•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带隙能量的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。•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。•这种单光子探测器的出现，对人们探索高技术领域将起到积极的推动作用。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也就显得尤为迫切。•这个波段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。•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，因此在这两个波段一般选用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InGaAs-APD。•国外对这两个波段的单光子探测的报道，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。目前人们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。•光子成像技术•下面以光电倍增管为例，介绍光子计数器的原理与方法。§5.1光子计数器中的光电倍增管光电倍增管是光子计数器的核心部件，它将接收到的光子转变为电脉冲信号，光电倍增管正常工作，必须配备高压电源。为了降低噪声，还配备致冷器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•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:D1D3D5D7D9D2D4D6D8D10K是光电阴极，D是聚焦极，D1~D10为倍增极（打拿极），A为阳极光电倍增管原理：外光电效应和二次电子发射效应KA2倍增极结构与渡越时间•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。•渡越时间离散性：τ只是一个平均值。从D1发射二次电子，到D10发射二次电子，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电子和最后一个电子的时间是不同的，这个时间差，就称为渡越时间离散，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。•要求：渡越时间短，渡越时间离散小。•直列聚焦式光电倍增管的结构如图所示。它的倍增极的形状具有特定的弧形，它的这种弧形结构可形成一个聚焦电场，使前级的二次发射电子能准确地射到本倍增极的中央。•另外，还采取了一些附加措施，用以抑制空间电荷效应，因此这种结构的光电倍增管其渡越时间离散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。聚焦电极KA3光电倍增管的增益与二次电子发射系数•由光电阴极与第一倍增极D1之间形成的电流称为阴极电流Ik，•由最后一个倍增极与阳极之间形成的电流是阳极电流Ia。•倍增管的增益G定义为：kaIIG•设某一倍增极的入射电子数为N1，在N1的激发下，产生的二次电子数为N2，则定义：为该倍增极的倍增系数。倍增系数又称为二次电子发射系数，m值一般为3~6，与倍增极的材料和工作偏压而定。•新的倍增极材料，m值可达50甚至更高。12NNm•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，•假设每个倍增极的倍增系数是相等的。若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。nmG光电倍增管吸收一个光子后，在阳极形成一个电流脉冲，则其形状如图（b）所示。图a为电荷累积的时间宽度，定义tw为电流的脉冲宽度，典型值为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：4PMT阳极电流脉冲与输出电压脉冲的计算)(81020106.1101091966AtqIwa秒库仑•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。设计得好的光子计数器，分布电容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。)(4.0)(50)(8mVARIVaaa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。§5.2光电倍增管的偏置电路与接地方式•光电倍增管的偏置电路可用电阻分压器组成。一般总电压Vak在900~2000V之间，由实验确定。原则：各倍增极电压在80~150V之间。•理论分析表明：各倍增极电压的稳定与否将严重地影响光电倍增管增益G的稳定性。1.光电倍增管的偏置电路0—－2kV•倍增极电流在分压电路中，随着倍增极电流的增大，对分压电阻电流的分流愈大，因而会造成倍增极电压的不稳定，尤其是靠近阳极的最后几个倍增极。•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•注意：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，增加了噪声。•分压电阻值通常在20KΩ~1MΩ范围内。•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。•光电倍增管工作时，阳极电压总是高于阴极电压。接地方式有两种。•一种是阴极接地，此时阳极为正高压；•另一种是阳极接地，此时阴极为负高压。2.光电倍增管的接地方式这两种接地方式各有其优缺点。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