光子计数探测与成像实验装置设计

　　0 引 言

　　信息的探测与成像是综合信息系统的基础和关键组成部分。基于内部增益雪崩效应的光子计数探测与成像技术，具有宽光谱响应、超快响应速度和超高探 测灵敏度，为综合电子信息系统增添了一种高灵敏信息探测手段，这疑将增强综合信息系统的信息感知能力。鉴于光子计数探测与成像技术在军事、宇宙探索、航空 航天、深海探索生物医学、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具有广阔应用前景，各国都投入了大 量精力开展这方面的基础理论及应用基础研究。单光子计数方法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。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重点研究的课题之一[1-3]。为了深入地讨论和分析光子计数探测和成像的机理，本文首先介绍了单光子计数探测与成像的工作原理， 给出了具体设计方案，介绍实验平台建设的主要内容及软件界面设计，为微弱光学辐射信号的探测与成像理论和实验研究提供实验平台。

　　1 光子计数探测基础与实验平台搭建

　　当光微弱到以单个光子发射时，一般的弱光探测与成像器件已经不能满足要求，只有利用光子计数模式，才能探测到单光子信息。单光子信号一般通过将 光信号转换为电信号来判断。以光电倍增管作为接收器为例，当光子入射到光电探测器上时，倍增管的光阴极释放的电子在管内电场作用下运动至阳极，在阳极的负 载电阻上将会出现一个光电子脉冲，由于入射光子数很多，光电子脉冲互相叠加，光电倍增管会输出很高的直流电平;当入射光功率逐渐减弱时，光电子脉冲的叠加 逐渐减小，光电倍增管的输出直流电平逐渐下降，光电子脉冲愈来愈分离;当入射光功率减小到 10-16W 时，光电探测器上的光电子脉冲呈现出不连续的随机分布，此时光源为单光子发射[4]。根据光强度与光电探测器时间 空间特性关系的不同，光电探测有两种探测模式：模拟探测模式(测量的光强是多个光子叠加的能量)和单光子计数模式(输出信号是被计数的某个光子)。如果光 电探测器有较好的时间 空间特性，用光子计数统计可实现微弱光探测。常规的弱光探测与成像器件没有单光子计数模式，所以探测不到极微弱光信号。入射到光电探测器上的光束是由大量 光子组成的光子流。很多光子叠加在一起探测到的光强称为模拟方式。当入射光功率逐渐减弱时，光电子脉冲的叠加逐渐减小，探测器的输出直流电平逐渐下降，光 电子脉冲愈来愈分离。当入射光功率减小到一定程度时，光电探测器上的光电子脉冲呈现出不连续的随机分布。继续减弱光信号，直至单光子探测，这种方式称为计 数方式。若能在探测单个光子的同时确定其空间位置，即进行二维光子计数探测，这便是光子计数成像的基础[5]。