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多像素光子计数器在单光子探测中的应用

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  1 引 言

  高光子探测效率、高量子效率的光子计数器是弱光探测领域研究的热点,近年来,工作在盖革计数模式下的雪崩二极管探测器(Geiger-modeAvalanch Diode,GAPD)以其独特的光子计数原理得到了广泛应用。相比传统的光子计数设备(如PMT、MCP等),GAPD具有体积小、成本低、可靠性高、环境适应性强等特点,是目前光子计数设备的主流。不过GAPD的光子计数动态范围小,限制了GAPD应用范围的推广。针对这一问题,俄罗斯研发部门提出了使用多GAPD并联完成光子计数的思路[1],此后,世界上许多研发部门相继开展了多GAPD的光子计数器研究。目前研制生产多像素光子计数设备的公司主要有爱尔兰的SensL公司、日本滨松公司、加拿大Zecotek公司及法国photonique公司等。

  日本滨松公司于2007年推出了多像素光子计数器(Multi-pixel Photon Counter,MPPC),其一经推出就受到广泛关注,各种应用报道层出不穷。E.Pomarico等人[2]使用MPPC在室温条件下探测近红外光信号,利用980nm与1 559nm激光经过频率上转换,得到了600nm的光信号,对1 559nm近红外光信号探测能量分辨率达到了3.2× J;Zhang.G.Q等人[3]使用MP-PC探测器,实现了对拉曼信号的探测;Y.Mizu-mura等人则使用MPPC探测器作为成像大气切伦科夫望远镜的探测单元,实现了对大气中高能射线信号的探测[4]。MPPC的高增益、低噪声、低偏置电压、高探测概率、低功率消耗、高可靠性等优点,使其在远距离激光测距技术、激光雷达技术、超快光谱学、量子光学、原子物理学等现代科研领域均有潜在应用价值[5-8]。

  本文利用MPPC器件测试了MPPC输出信号特性,根据测量结果,反演出了激光器输出脉冲的光子数分布特性。

  2 原理与实验

  2.1 MPPC工作原理

  MPPC是一种新型的光子计数设备,由一系列集成在1m基底的APD像素构成,如图1、图2所示,每个APD工作在盖革模式下,每个APD的输出并联到输出电路上,如图3所示。当光子入射到工作在盖革模式下的APD时,按一定几率产生一个光电子,该电子将在耗尽区产生诱导雪崩效应,产生一个恒定的电脉冲输出,这时称这个像素处在“点燃”状态。

  雪崩后,APD处在猝灭状态下,其他入射光子将不能再引起雪崩效应。因此,每个像素点只能提供光子的“有”、“无”信息。由于输出端口并联,每个像素输出的电脉冲叠加成为一个巨脉冲,通过测量巨脉冲的电量或者幅值,可以计算出被“点燃”像素的个数,反演出入射光子的分布特性。

  2.2 实验装置

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