毕业论文单光子探测器后脉冲概率的测量开题报告.doc

山西大学本科毕业论文（设计）开题报告姓 名 张永信 学 号 2004274062 所在专业 光信息科学与技术论文（设计）题目 单光子探测器后脉冲概率测量实验及结果的理论分析选题的目的和意义：近年来，随着量子信息学科的发展，单光子探测器（SPCM）在量子保密通讯 [1-3]、分子荧光寿命测量 [4, 5]、单光子源制备 [6-8]等弱光探测领域中得到了广泛的应用相比于传统的模拟信号测量方法，单光子探测器对于工作电压及环境温度的微小变化的变化不敏感，具有更高的稳定性和信噪比但是单光子探测器在没有光子入射时，仍然会产生一定数量的计数，严重影响着其在光子计数测量，尤其是量子保密通讯中的应用噪声主要有两类：一类是由于热噪声和隧穿效应引起的暗计数；另一类是由于俘获载流子的再释放引起的后脉冲暗计数率基本上与入射光强无关，而后脉冲的强度则随着入射光强的增大而增大在计数率相对较大的实验中，如量子保密通讯中，暗计数对于测量的影响变得很微弱，如何减小后脉冲的影响就变得尤其重要通常采用的方法为门控模式测量，即在光子到达的时才使单光子探测器的工作电压高于雪崩电压为了设置合适的门控脉冲宽度，势必要求我们对于后脉冲的强度及时域分布进行深入了解。

随着量子信息学科的发展，单光子探测器（SPCM）的地位越来越基础而重要 ,精确性要求也越来越高,所以对如何减小噪声的后脉冲的这项研究也就很重要.文献综述（国内外研究现状、研究方向、进展情况、存在问题等，并列出 10 篇以上所查阅的国内外参考文献，要求 3000 字以上）：近年来，随着量子信息学科的发展，单光子探测技术在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领域有 着广泛的应用由于单光子探测器在高技术领域的重要地位，它已经成为各发达国家光电子学界重点研究的课题之一相比于传统的模拟信号测量方法，单光子探测器对于工作电压及环境温度的微小变化的变化不敏感，具有更高的稳定性和信噪比1939 年，Allen 就使用光电倍增管测量到了单个光子 [9]Roch 小组使用单光子探测器测量了单分子光子源的光子统计特性 [6, 10]，并进行了自由空间量子保密通讯 [3]Gomez 等测量了铷原子 6S 能级 [4]和 8S 能级的寿命 [5]但是，这种工作于盖革模式的单光子探测器在没有光子入射时，仍然会产生一定数量的计数，严重影响着其在光子计数测量，尤其是量子保密通讯中的应用。

单光子探测器(SPCM)的噪声主要有两类：一类是由于热噪声和隧穿效应引起的暗计数；另一类是由于俘获载流子的再释放引起的后脉冲暗计数率基本上与入射光强无关，而后脉冲的强度则随着入射光强的增大而增大在计数率相对较大的实验中，如量子保密通讯中，暗计数对于测量的影响变得很微弱，如何减小后脉冲的影响就变得尤其重要通常采用的方法为门控模式测量，即在光子到达的时才使单光子探测器的工作电压高于雪崩电压为了设置合适的门控脉冲宽度，势必要求我们对于后脉冲的强度及时域分布进行深入了解后脉冲现象是导致单光子探测噪声的主要来源之一在雪崩发生时，雪崩倍增区中的任何缺陷都有可能成为载流子的俘获中心当有光子入射单光子探测器时，大量的电荷流过探测器的雪崩倍增区，一些载流子被这些缺陷俘获当雪崩被抑制后，这些从缺陷中心释放出的载流子受到电场加速，它们会再次触发雪崩，产生与前一次雪崩脉冲相关联的后脉冲，在没有光子到达时会引起一次误计数单光子探测器的后脉冲概率可以表示为不同俘获能级概率的累加使用时间关联单光子计数测量后脉冲，常用的方法是将单光子探测器输出的 TTL 脉冲同时连接到时幅转化仪的开始端和停止端，停止端信号相对于开始端信号的时间间隔通过 TAC 转化成与之成正比的脉冲幅度。

不同幅度的电脉冲信号输入多通道分析仪（Multichannel analyzer, MCA）进行脉冲高度统计分析，得到脉冲光的自关联函数在脉冲激光源强度稳定的情况下，使用这种开始-停止技术得到的自关联函数曲线就反映了探测器的后脉冲概率分布图一 实验装置图具体的实验装置如图 1 所示脉冲半导体激光器（PicoQuant，PDL 800）发出的光脉冲经过可调光衰减片衰减至每一脉冲的平均光子数为 0.125 后，通过透镜聚焦，进入单光子计数模块（PerkinElmer，SPCM-AQR-15，SPCM1） SPCM1 输出的电脉冲使用两根相同长度的电缆分别连接到 TAC（Ortec，Model 567）的开始端和停止端经时幅转化产生的不同幅度的电脉冲输入MCA（Ortec，Trump-Pci-2k）进行脉冲高度分析统计测量结果使用电脑采集和处理实验中还使用了另一个相同型号的单光子探测器（SPCM2） ，将它的暗计数信号连接到 TAC 的停止端，替换SPCM1 的输出信号，测量两个探测器之间的关联函数曲线，测量结果可用于分析暗计数对于自关联函数曲线的影响SPCM1 和 SPCM2 置于光屏蔽装置中，用于避免环境光对于测量结果的影响。

脉冲半导体脉冲激光器输出光脉冲的频率为 750 kHz, 脉冲宽度为 55 ps，输出激光的波长为 635 nm（空气中） SPCM 的波长响应范围为 400~1000 nm，对于 635 nm 的光其光子探测效率约为70%，探头有效直径为 0.17 mm，死时间为 50 ns，平均暗计数率为 47 Hz，输出 TTL 电脉冲宽度为30 ns，允许的最大计数值为 15 MHzSPCM1 和 SPCM2 通过热电致冷而保证很低的暗计数率，通过温度控制而避免环境温度变化对于探测器增益的影响TAC 的可测量时间范围为 10 ns ~ 2 msTAC输出的电脉冲信号幅度为 0~10V使用两根相同长度的电缆将探测器的输出信号连接到 TAC，保证了自相关函数曲线测量中 TAC 的开始端和停止端的同步，避免了自关联函数曲线的平移修正TAC允许的最小输出脉冲为 0.05V，因此与开始端 TTL 脉冲的时间间隔小于 5‰ TAC 量程内到来的停止端 TTL 信号将无法引起 TAC 的响应，这段时间又称为 TAC 的死时间受 TAC 死时间的影响，当一个 TTL 脉冲触发 TAC 的开始端后，它将不可能再同时触发 TAC 的停止端，只有与其相邻的下一个脉冲才可能触发 TAC 的停止端。

TAC 输出的脉冲反映了单光子探测器相邻两输出脉冲的时间间隔MCA 的最大分辨率为 2048 通道，死时间为 8 μs实验中测得的脉冲激光的自关联函数曲线以及相应的暗计数的测量如图 2 所示TAC 的量程为 2 μs，MCA 的分辨率为 2048 通道，相应的采样时间为 1.04 ns图二（a ）显示的是脉冲激光的自关联函数曲线；（b）显示的是相同采样时间得到的脉冲激光与探测器暗计数的关联函数曲线t = 0 的时刻对应于前一雪崩脉冲的位置SPCM1LaserTACStopStartMCAPCOASPCM2Optical shieldedL 图二 脉冲激光的自关联函数曲线以及相应的暗计数由图二（a）可知，自关联函数曲线在前一雪崩脉冲后的一段时间内出现的次数为 0这段零计数时间大于 TAC 的死时间，因此它受到的是 SPCM 死时间的影响在 SPCM 死时间内，探测器的工作电压低于雪崩电压，不可能产生后脉冲及暗计数从图中可以很容易的得到单光子探测器的死时间约为 50 ns在死时间结束后，自关联函数曲线上出现了一个很尖锐的峰（A 峰） A 峰持续很短时间（约 3 ns）后，曲线开始缓慢的下降。

图像表明，单光子探测器在死时间结束后的 3 ns 时间内会释放出大量的后脉冲在 t 1200 ns 后，自关联函数曲线已基本接近暗计数曲线（图二 b） ，后脉冲出现的概率已经远小于 SPCM 的暗计数率，暗计数成为光子计数测量中的主要噪声后脉冲主要存在于探测器死时间后几百纳秒的时间内为了减小后脉冲对于光子测量的影响，必须选择尽可能窄的同步门控信号自关联函数曲线在 t = 1340 ns 的地方出现了曲线的最高峰（ B 峰） ，这对应于脉冲激光器发出下一个光脉冲的时间插图为 B 峰放大后的形状从插图中可以看出，B 峰的半高宽度为 3 ns，远远大于激光脉冲的宽度，因此它是由单光子探测器的时间抖动（Timing jitter）引起的在分子荧光寿命测量中，荧光寿命大多为纳秒量级，这种大的时间抖动必然严重影响到荧光寿命测量B 峰在 10-4 最大值处的宽度为 20 ns，这个参数可以用于设置最佳同步门控信号宽度在 t > 1400ns 的地方，仍然会测量到后脉冲或暗计数事件，这是由于脉冲光的平均光子数远小于 1，后脉冲或暗计数仍然有可能触发TAC 的停止事件依据 B 峰的面积以及入射到探测器的平均光子数，可以对自关联函数曲线进行归一化处理，得到的概率曲线即为单个雪崩脉冲引起后脉冲的概率，结果如图三所示10m110101k10k10k1M101021041060 40 80 120 16048Counts of autocrelation fuction 3ns FWHM20ns FW(10-4)M Dark counts 0 250 50 750 10 12501-710-610-510-4 Experimental dat Thorticl fitAfterpulse probailtyTime (ns)图三 后脉冲概率曲线及拟合曲线Fig. 3 Probability curve of afterpulse and corresponding fitting curve图三中使用“+”标记的为经过归一化处理后的实验数据，实线是利用公式（5）拟合得到的结果。

实验数据可以很好的通过理论公式拟合除去暗计数对于后脉冲概率的影响，总的后脉冲概率为4‰，与 SPCM 技术手册中提供的参数基本一致两个主要俘获能级的能级寿命分别为 503 ns 和 33 ns实验中对于不同强度的脉冲光引起的后脉冲概率进行了比较，在 SPCM 允许的光强范围内概率无明显变化综上所述，使用开始-停止技术测量脉冲激光的自关联函数曲线，可以用于分析单光子探测器产生后脉冲的概率开始-停止技术和暗计数都会引起测量结果的畸变文中对于测量结果的畸变进行了理论分析，给出了修正公式针对型号为 SPCM-AQR-15 的单光子探测器进行测量，结果表明，后脉冲的概率主要受到两个俘获能级的影响，其能级寿命分别为 503 ns 和 33 ns实验数据可以很好的用理论公式拟合探测器死时间内没有后脉冲产生死时间结束后的 3 ns 时间内，产生后脉冲的概率很大后脉冲的概率随着时间的推移而逐渐减小，后脉冲主要存在于死时间后几百纳秒的时间内选择合适的采样门宽度可以有效减小后脉冲对于光子计数测量的影响探测器的时间抖动对于荧光寿命测量影响很大参考文献：1. R.G.W.Brown,R.Jones,et al. Characterization of Silicon Avalanche Photodiodes for Photon Correlation Measurements. 2: Active Quenching.1987.Applied Optics.26(12).23832. 陈成杰，徐正卜.光电倍增管[M].北京：原子能出版社.19873. S.Cova, M.Ghioni, A.Lacaita, C.Samori,and F.Zappa. Avalanche Photodiodes and Quenching Circuits for Single-photon Detection.1996. APPL.OPT. 35.1956.4. Charles H. Bennett, Quantum cryptograph。