单光子计数系统的设计与实现

　　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。