单光子计数系统的设计与实现

　　摘　要: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弱的信号识别并提取出来。现代单光子计数技术具有信噪比高、抗漂移性好、时间稳定性好、便于计算机进行分析处理等优点,在高技术领域占有重要地位,它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。为了深入地讨论和分析单光子计数系统,本文首先介绍了单光子计数系统的工作原理,给出了具体硬件电路的设计方案,并对由于脉冲堆积效应造成的系统误差进行了分析。设计表明,该系统各项参数基本达到设计要求,可以用于一般用途的光子计数式微弱信号测量。

　　1　引　　言

　　光子计数技术[1]是检测弱光信号的一种新技术。它在天文测光、大气测污、分子生物学、光时域反射、超高分辨率光谱学、非线性光学等现代科学技术领域有着广泛的应用。现代光子计数技术具有信噪比高、抗漂移性好、时间稳定性好、便于计算机进行分析处理等优点,在高技术领域占有重要地位,它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一。

　　2　单光子计数器的工作原理

　　弱光检测中,如果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。但同时,当光微弱到一定程度的时候,光的量子特性便开始显现出来[2]。假设,光子流量用单位时间通过的光子数R表示,光流强度(单位时间通过的光能量)用光功率P表示,则单色光的光功率P与光子流量R的关系是:

　　单光子计数方法就是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弱的信号识别并提取出来。

　　图1是本实验研究所设计的单光子计数器的系统框图。光源发出的光信号经过光路系统处理后,入射到光电倍增管的光电阴极,光电阴极吸收光子后产生一系列光电子,这些光电子数与入射到阴极上的光子数成正比。经过光电倍增,最后由阳极收集所有光电子,并在光电倍增管的负载上形成一系列电脉冲。电脉冲经前置宽带放大器放大后,输入甄别器。甄别器通过调整合适的甄别电平,使得只有输入脉冲的幅度大于甄别电平时,才输出具有一定幅度和形状的标准脉冲。考虑到单片机处理速度无法跟上甄别器输出的脉冲信号频率,因此先由现场可编辑逻辑器件FPGA进行分频和计数。而单片机系统除了对计数器进行控制外,还负责与外部计算机进行通信,最后由计算机进行数据的运算和处理。

　　3单光子计数器的关键电路设计

        单光子计数器的电路设计部分主要包括3个部分:光电倍增管分压电路、放大2甄别电路和计数器模块。

　　3·1　光电倍增管分压电路

　　光电倍增管是整个系统的基础,单光子信号经过光电倍增管,把光子信号转换为电信号。因此,光电倍增管性能的好坏直接决定了单光子探测器性能的好坏。为了使光电倍增管能正常工作,通常需在阴极(K)和阳极(A)之间加上近千伏的高压。同时,还需要在阴极、聚焦极、倍增极和阳极之间分配一定的极间电压,保证光电子能被有效地收集,光电流通过倍增极系统得到放大。

　　在具体的电路实现中,分压电路采用阳极接地,负高压供电。如图2所示。这种方式可以消除外部信号输出电路与阳极之间的电位差,实现与运算放大器的直接相连。而分压电阻的选择要考虑到功耗以及高压电源的承载能力。为了稳定末几级的级间电压和保证输出的线性,因而串接了去耦电容。

　　3·2　放大2甄别电路

　　在系统中,由于渡越时间的离散性和系统时间常数的影响,光电倍增管输出的是脉冲宽度为ns量级、幅度为μA量级的离散高斯脉冲,而一般甄别器的输入电平须达到几十毫伏才能正常工作。因此,设计带宽大、增益高、噪声低、体积小的放大2甄别电路,对提高整个光子计数系统的性能具有重要的作用。

　　如图3所示,在实际的电路实现过程中,选用2个AD8099放大器进行级联。在小信号输入、正向增益为10的情况下,带宽可达到550 MHz左右。2个放大器之间采用电容耦合级联,以消除噪声。甄别器采用的是AD公司的AD8561,是一种单阈值工作方式的甄别器,其触发电平典型值为1 mV,同时死时间小于7 ns。同时,通过对放大器输入阻抗的调整、甄别电平的调整,可以改变增益的大小,从而使系统工作于最佳状态。

3·3　计数器模块

　　从甄别器出来的脉冲信号并不能直接由单片机AT89C51计数。原因是甄别器输出脉冲频率可以达到100 MHz,而AT89C51的最高计数频率只有460·8 kHz(采用11·0592标准晶振)。如果直接计数,计数脉冲比输入信号脉冲还要宽,则会出现漏计。因此外部信号必须先分频。采用ALTERA公司的EMP7064,分频的结果示意图如图4所示。

　　如果采用一个计数器,在锁存和清零的时间内将停止计数,从而引起光子的计数误差。为了避免这种计数误差,可以在计数器模块中采用2个计数器交替计数[3]。

　　4　单光子计数的误差修正

　　单光子计数器的误差来源主要有光子发射的统计涨落、光阴极的热电子发射和脉冲堆积效应等。而在计数率较高的情况下,由脉冲堆积效应造成的多光子响应峰将是误差的主要来源。假设每个光子进入探头是完全随机的,那么光子在1 s内进入探测器的概率可视为均匀。实验中,一般计数率n≤108,分辨时间t取10~50 ns,满足泊松分布近似条件[4]。此时,i个光子在t内出现的概率为:

　　图5为不进行误差修正时候的曲线示意图。其中横轴n为光子输入数,纵轴n′为没有误差修正的测量值。其中虚线为理论值。假如取E=10%为光子计数系统的适用动态范围上限,由图5可知在不进行误差修正的情况下,该系统的计数上限为1·05×107个/秒。

　　为了对光子计数系统进行误差修正,定义修正系数为k=n′/nk。k与输入的光子数目的量级有关。我们根据输入光子数的量级,在该量程范围内,选择利用中间值nk作为插值,计算得到修正系数后,对该区间内的光子数目进行修正。这样既可方便灵活地对测量结果进行修正,同时也符合实际系统的工作要求。图6是进行误差修正后的曲线示意图。当选择E=10%为光子计数系统的适用动态范围上限时,该系统的计数上限可提高到8·85×107个/秒。

　　5　结　　论

　　本文在理论研究和仿真计算的基础上,设计了一个可用于实际检测的单光子计数器系统。单光子计数器主要由光电倍增管(PMT)、放大器、甄别器和计数器等组成。电路部分的各项指标基本达到了设计要求。同时,本文还对由脉冲堆积效应造成的多光子响应进行了分析和误差修正,使得测量结果进一步准确。该系统可以用于一般用途的单光子计数。

　　参考文献

　　[1]　OpCONNOR D V, PHILLIPS D. Time2correlated singlephoton counting[A].London:Academic Press,1984.

　　[2]　赵远,张宇.光电信号检测原理与技术[M].北京:机械工业出版社,2005.

　　[3]　孙青,李梅,王春鸿,等.光度测量系统中的光子计数采集卡[J].光电工程, 2004,31(31):76279.

　　[4]　汪兆民,许彤,许咨宗,等.时间关联单光子计数中的多光子污染[J].光子学报,2000,20(5):6002682.