1、 毕业论文（设计） 开题报告 姓 名 学 号 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
2、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
3、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。 Roc
4、h 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
5、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
6、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
7、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
8、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 4001000 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 MHz。 SPCM1 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。 TA
9、C 的可测量时间范围为 10 ns 2 ms。 TAC 输出的电脉冲信号幅度为 010V。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 s。 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 s， 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。 SPCM1 Laser TAC Stop Start MCA PC OA SPCM2 Optical shielded L
