CN104330173B - 基于波形积分的光子数分辨方法及其采用的光子分辨系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开的基于波形积分的光子数分辨方法，具体按照以下步骤实施：1)将多像素光子计数器输出的雪崩信号通过同轴电缆输入到数字示波器中；2)对数字示波器中显示的波形数据对时间进行积分；3)对一系列波形积分值进行直方图统计分析，画出统计直方图；4)观察直方图即可直接获得最可几光子数或平均光子数信息；5)利用得到的最可几光子数或平均光子数除以探测器的光子探测效率即为入射光场的最可几光子数或平均光子数。本发明还公开了上述光子数分辨方法中采用的光子数分辨系统。本发明基于波形积分的光子数分辨方法及采用的分辨系统大大提高了光子数分辨能力、降低了成本，提高了测量速度。

Description

基于波形积分的光子数分辨方法及其采用的光子分辨系统

技术领域

本发明属于微弱光探测方法技术领域，涉及一种采用波形积分的光子数分辨方法。

背景技术

现有的脉冲光子数的测量方法主要有三类：第一类方法是使用电荷数字转换器(即QDC，Charge to Digital Converter)，将具有单光子响应能力的探测器输出的信号电荷量进行统计分析；第二类方法是利用模数转换器(即ADC，Analog to DigitalConverter)或多道分析器(即MCA，Multi-Channel Analyzer)或数字示波器对具有单光子响应能力的探测器的输出信号进行幅度统计分析；第三类方法如发明专利所述(该发明的申请号为：201210098265.0，申请日为：2012-04-06，公开号为：102607721A)通过测量探测器对不同入射光子数的响应时间来得知入射光场中的光子数目。

利用第一类方法能够获得较好峰谷比的光子数分辨谱(Paolo Finocchiaro,Alfio Pappalardo,Luigi Cosentino,etal.,Characterization of a Novel100-ChannelSilicon Photomultiplier—Part II:Charge and Time,IEEE TRANSACTIONS ONELECTRON DEVICES,VOL.55，NO.10，OCTOBER，(2008)pp.2765-2773)，但是系统较为复杂，高速QDC及门产生器等仪器造价昂贵，且属于专用测量装置，通用性不强。

在第二类方法中，利用ADC或MCA测量的光子数分辨谱受电子学噪声的影响严重，导致光子数分辨能力较差，且同样存在系统通用性不强的问题(M.Grodzicka,M.Moszy′nski,T.Szcz，etal.，Energy resolution of small scintillation detectors withSiPM light readout，JINST,VOL.8,P02017，(2013)1-17)。利用数字示波器进行探测器信号的脉冲幅度统计方法则较为简单，光子数分辨谱的获取速度较快，然而依然容易受到电子学噪声的影响，使得光子数分辨谱的峰谷比不好(J.M.Yebras，P.Antoranz，J.M.Miranda，J.Europ.Opt.Soc.Rap.Public.，VOL.7,(2012)，12014，1-8)。

第三类方法需要用到数据拟合的方法进行离线分析，因而光子数分辨速度较慢。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于波形积分的光子数分辨方法，解决了现有的光子数分辨方法中存在光子数分辨能力不强、造价昂贵及光子数分辨速度慢的问题。

本发明的另一目的在于提供上述光子数分辨方法中采用到的光子数分辨系统。

本发明所采用的第一种技术方案是，采用波形积分的光子数分辨方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、光子照射到多像素光子计数器后，多像素光子计数器输出雪崩信号，输出的雪崩信号通过同轴电缆输入至数字示波器内的模拟通道，由数字示波器显示出信号波形；

步骤2、经步骤，数字示波器将显示的信号波形对应的波形电压值的传送至计算机内，计算机内安装的虚拟仪器软件LabVIEW将送入的波形电压值对时间进行实时积分，计算波形积分值A，再计算出输出电荷量Q，具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、经步骤1，数字示波器将显示的信号波形对应的波形电压值的传送至计算机内；

步骤2.2、计算机内安装的虚拟仪器软件，将经步骤2.1送入计算机内波形电压值对时间进行实时积分，计算波形积分值A，该波形积分值A实际上是时域上的离散电压值的积分，波形积分值A的算法具体如下：

式中，A是电压波形的积分值，即波形面积值，V(t_i)是在时间点t_i测量的电脉冲波形信号的电压值，Δt是采样时间间隔，T_a、T_b分别是采样时间的起始时刻和终止时刻；

步骤2.3、根据步骤2.2计算得到的波形积分值A，按照如下算法计算出输出电荷量Q：

式(2)中，R_s是负载电阻值，I(t)和V(t)分别为雪崩信号波形的电流(I)或电压(V)随时间t变化的函数；

步骤2.4、多次重复步骤2.1和步骤2.2，获得多个输出电荷量Q的值，最终得到输出电荷量Q的序列；

步骤3、将经步骤2获得的输出电荷量Q的序列进行直方图统计分析，绘制出统计直方图；

步骤4、观察经步骤3得到的直方图，即可直接获得探测到的最可几光子数或平均光子数信息；

步骤5、利用经步骤4探测到的最可几光子数或平均光子数除以多像素光子计数器的光子探测效率，即可得到入射光场的最可几光子数或平均光子数。

本发明第一种技术方案的特点还在于：

步骤3中统计直方图的横坐标为输出电荷量Q的值、波形积分值A或归一化值，纵坐标为事件数。

归一化的具体方法是，用输出电荷量Q或波形积分值A的序列除以1倍幅度雪崩脉冲对应的电荷量或波形积分值。

本发所采用的第二种技术方案是，基于波形积分的光子数分辨方法中采用的光子分辨系统，包括有多像素光子计数器，多像素光子计数器通过导线与稳压电源连接，多像素光子计数器的入射窗口处连接有光纤耦合器，光纤耦合器通过光纤与脉冲激光器的激光输出端连接，多像素光子计数器的信号输出端通过同轴电缆与数字示波器内的模拟通道连接，数字示波器内的触发通道通过同步信号与脉冲激光器的输入端信号连接，数字示波器通过USB数据传输线与计算机连接。

本发明第二种技术方案的特点还在于：

多像素光子计数器采用MPPC C11209-10型单光子探测器。

稳压电源采用IT6235型精密稳压电源。

数字示波器采用DPO4102B-L型数字示波器。

脉冲激光器采用PDL-800D型皮秒脉冲激光器。

光纤耦合器采用FC型法兰盘。

光纤采用内径为9微米，外直径为125微米FC接口单模光纤。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用波形积分的光子数分辨方法，缓解了现有的光子数分辨方法中存在光子数分辨能力不强、造价昂贵及光子数分辨速度慢的问题。

(2)本发明采用波形积分的光子数分辨方法，提高了光子数分辨能力，只需使用实验室通用的测试仪器进行测量，降低了测量成本，同时提高了光子数分辨的速度。

附图说明

图1是本发明的光子数分辨方法中采用的光子分辨系统的结构示意图；

图2是本发明的光子数分辨方法的流程图；

图3是现有第二类方法中的利用数字示波器幅度统计分析得到的光子数分辨谱图；

图4是本发明的光子数分辨方法中利用数字示波器波形积分直方图统计分析的光子数分辨谱图。

图中，1.多像素光子计数器，2.稳压电源，3.数字示波器，4.脉冲激光器，5.计算机，6.光纤耦合器，7光纤。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明基于波形积分的光子数分辨方法中采用的分辨系统，其结构如图1，包括有多像素光子计数器1，多像素光子计数器1通过导线与稳压电源2连接，多像素光子计数器1的入射窗口处连接有光纤耦合器6，光纤耦合器6通过光纤7与脉冲激光器4的激光输出端连接，多像素光子计数器1的信号输出端通过同轴电缆与数字示波器3内的模拟通道连接，数字示波器3内的触发通道通过同步信号与脉冲激光器4的输入端信号连接，数字示波器3通过USB数据传输线与计算机5连接。

多像素光子计数器1采用MPPC C11209-10型单光子探测器(日本滨松公司生产)。

稳压电源2采用IT6235型精密稳压电源(台湾艾德克斯公司生产)。

数字示波器3采用DPO4102B-L型数字示波器(1GHz bandwidth，5GSa/s，Tektronix公司生产)。

脉冲激光器4采用PDL-800D型皮秒脉冲激光器(德国PicoQuant公司生产，波长670nm，时间半高宽44ps)。

光纤耦合器6采用FC型法兰盘。

光纤7采用内径为9微米，外直径为125微米FC接口单模光纤。

本发明采用波形积分的光子数分辨方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1、光子照射到多像素光子计数器1后，多像素光子计数器1输出雪崩信号，输出的雪崩信号通过同轴电缆输入至数字示波器3内的模拟通道，由数字示波器3显示出信号波形；

步骤2、经步骤1，数字示波器3将显示的信号波形对应的波形电压值的传送至计算机5内，计算机5内安装的虚拟仪器软件(LabVIEW)将送入的波形电压值对时间进行实时积分，计算波形积分值A，再计算出输出电荷量Q，具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、经步骤1，数字示波器3将显示的信号波形对应的波形电压值的传送至计算机5内；

步骤2.2、计算机5内安装的虚拟仪器软件，将经步骤2.1送入计算机5内波形电压值对时间进行实时积分，计算波形积分值A，该波形积分值A实际上是时域上的离散电压值的积分，波形积分值A的算法具体如下：

式(1)中，A是电压波形的积分值，即波形面积值，V(t_i)是在时间点t_i测量的电脉冲波形信号的电压值，Δt是采样时间间隔，T_a、T_b分别是采样时间的起始时刻和终止时刻；

步骤2.3、根据步骤2.2计算得到的波形积分值A，按照如下算法计算出输出电荷量Q：

式(2)中，R_s是负载电阻值，I(t)和V(t)分别为雪崩信号波形的电流(I)或电压(V)随时间t变化的函数；

步骤2.4、多次重复步骤2.1和步骤2.2，获得多个输出电荷量Q的值，最终得到输出电荷量Q的序列；

步骤3、将经步骤2获得的输出电荷量Q的序列进行直方图统计分析，绘制出统计直方图；

由于R_s在确定的系统中是不变的，所以输出电荷量Q与波形积分值A成正比，为了简便，可直接对波形积分值A直方图统计；

因此，统计直方图的横坐标既可以是输出电荷量Q的值也可以是波形积分值A，还可以是归一化值，纵坐标为事件数；

归一化的具体方法是，用输出电荷量Q或波形积分值A的序列除以1倍幅度雪崩脉冲对应的电荷量或波形积分值。

步骤4、观察经步骤3得到的直方图，即可直接获得探测到的最可几光子数或平均光子数信息；

步骤5、利用经步骤4探测到的最可几光子数或平均光子数除以多像素光子计数器1的光子探测效率，即可得到入射光场的最可几光子数或平均光子数。

本发明基于波形积分的光子数分辨方法，其原理如下：

在光强不太强的情况下，多像素光子计数器1输出信号的电荷量与入射的光子数成正比(Robert H.Hadfield,single-photon detectors for optical quantuminformation applications,Nature Photonics,VOL 3,(2009)696-705.)，所以通过测量输出信号的电荷量即可得知入射光子数。

当光子照射到多像素光子计数器1时，多像素光子计数器1将输出具有一定时间宽度的电脉冲信号，该电脉冲信号可用一个电流(I)或电压(V)随时间t变化的函数I(t)或V(t)表示，将I(t)或V(t)对时间积分后，即得到电脉冲信号对应的输出电荷量Q，如上述式(2)所示。可以看出：在R_s不变的情况下，电脉冲信号对应的输出电荷量Q和波形积分值A成正比，因此只要测量波形积分值A，除以一个光子对应的波形积分值，再除以探测器的光子探测效率，便可得到出入射光子数。

为了提高光子数信息的置信度，通常对一系列波形积分值A(即波形面积值)或对应的输出电荷量Q进行直方图统计，从而获得光子数分辨谱。

利用本发明基于波形积分的光子数分辨方法获得入射光子数信息的有益效果如下：

(1)对一段短时间内的波形进行积分，抵消了电子学噪声的影响，从而提高了光子数分辨能力；

(2)只需用实验室通用的数字示波器3即可进行实验测量，无需购买专用的实验仪器，从而节省了资金；

(3)可以实时获取波形积分值，无需离线进行数据的拟合分析，从而在短时间内获得入射光子数信息。

本发明基于波形积分的光子数分辨方法中采用的分辨系统中各部件的相互作用如下：

脉冲激光器4的激光输出端通过光纤7、光纤耦合器6连接到多像素光子计数器模块1的入射窗口，同时多像素光子计数器模块1将同步信号通入到数字示波器3的触发通道作为同步触发信号；多像素光子计数器模块1通过稳压电源2加偏压，多像素光子计数器模块1的信号输出端通过同轴电缆连接到数字示波器3的模拟通道，用以对信号进行记录；数字示波器3通过USB数据传输线实时传输波形数据到计算机5上，利用虚拟仪器软件(LabVIEW)根据式(2)编程进行实时积分，同时进行积分值的直方图统计，从而获得光子数分辨谱。

图4为利用本发明基于波形积分的光子数分辨方法，结合分子分辨系统获得的波形积分光子数分辨谱，查多像素光子计数器模块1测试报告得知其在670nm处的光子探测效率为7％，则根据图4可知，激光相对强度为18％时，入射光场的平均光子数为14/7％＝200个。

图3及图4为证明本发明基于波形积分的光子数分辨方法的优势所做的对比实验，在图3及图4中，p.e.是等效光子数(photon number equivalent)的缩写。

如图3所示，为用现有的第二类方法中的示波器幅度统计分析获得的光子数分辨谱；如图4所示，为利用本发明基于波形积分的光子数分辨方法，即用数字示波器3波形积分统计获得的光子数分辨谱；对比两个图可以明显看出，用本发明基于波形积分的光子数分辨方法获得的光子数分辨谱的峰谷比明显较好，可以清晰分辨出47个光子等效峰，激光相对强度为18％时，探测到的平均光子数为14个，如图4所示；而用现有的第二类方法获得的光子数分辨谱只能分辨13个光子等效峰，如图3所示。

本发明基于波形积分的光子数分辨方法中，光子数分辨能力远远大于用示波器幅度统计分析的光子数分辨能力，本发明基于波形积分的光子数分辨方法能够分辨的光子数为目前常温下所报道的最大值。

Claims (3)

1.基于波形积分的光子数分辨方法，该方法中涉及光子分辨系统，该系统包括有多像素光子计数器(1)，所述多像素光子计数器(1)通过导线与稳压电源(2)连接，多像素光子计数器(1)的入射窗口处连接有光纤耦合器(6)，所述光纤耦合器(6)通过光纤(7)与脉冲激光器(4)的激光输出端连接，所述多像素光子计数器(1)的信号输出端通过同轴电缆与数字示波器(3)内的模拟通道连接，数字示波器(3)内的触发通道通过同步信号与脉冲激光器(4)的输入端信号连接，所述数字示波器(3)通过USB数据传输线与计算机(5)连接；所述多像素光子计数器(1)采用MPPCC11209-10型单光子探测器；所述稳压电源(2)采用IT6235型精密稳压电源；所述数字示波器(3)采用DPO4102B-L型数字示波器；所述脉冲激光器(4)采用PDL-800D型皮秒脉冲激光器；所述光纤耦合器(6)采用FC型法兰盘；所述光纤(7)采用内径为9微米，外直径为125微米FC接口单模光纤；

其特征在于，具体按照以下步骤实施：

步骤1、光子照射到多像素光子计数器(1)后，多像素光子计数器(1)输出雪崩信号，输出的雪崩信号通过同轴电缆输入至数字示波器(3)内的模拟通道，由数字示波器(3)显示出信号波形；

步骤2、经步骤1，数字示波器(3)将显示的信号波形对应的波形电压值的传送至计算机(5)内，计算机(5)内安装的虚拟仪器软件LabVIEW将送入的波形电压值对时间进行实时积分，计算波形积分值A，再计算出输出电荷量Q，具体按照以下步骤实施：

步骤2.1、经步骤1，数字示波器(3)将显示的信号波形对应的波形电压值的传送至计算机(5)内；

步骤2.2、计算机(5)内安装的虚拟仪器软件，将经步骤2.1送入计算机(5)内波形电压值对时间进行实时积分，计算波形积分值A，该波形积分值A实际上是时域上的离散电压值的积分，波形积分值A的算法具体如下：

$A=\underset{T_a}{\overset{T_b}{\Σ}}V\left(t_i\right)\·\mathrm{\Δ}t---\left(1\right);$

式(1)中，A是电压波形的积分值，即波形面积值，V(t_i)是在时间点t_i测量的电脉冲波形信号的电压值，Δt是采样时间间隔，T_a、T_b分别是采样时间的起始时刻和终止时刻；

步骤2.3、根据步骤2.2计算得到的波形积分值A，按照如下算法计算出输出电荷量Q：

$Q=\∫I\left(t\right)dt=\frac{\∫V\left(t\right)dt}{R_s}=\frac{A}{R_s}---\left(2\right);$

式(2)中，R_s是负载电阻值，I(t)和V(t)分别为雪崩信号波形的电流(I)或电压(V)随时间t变化的函数；

步骤2.4、多次重复步骤2.1和步骤2.2，获得多个输出电荷量Q的值，最终得到输出电荷量Q的序列；

步骤3、将经步骤2获得的输出电荷量Q的序列进行直方图统计分析，绘制出统计直方图；

步骤4、观察经步骤3得到的直方图，即可直接获得探测到的最可几光子数或平均光子数信息；

步骤5、利用经步骤4探测到的最可几光子数或平均光子数除以多像素光子计数器(1)的光子探测效率，即可得到入射光场的最可几光子数或平均光子数。

2.根据权利要求1所述的基于波形积分的光子数分辨方法，其特征在于，所述步骤3中统计直方图的横坐标为输出电荷量Q的值、波形积分值A或归一化值，纵坐标为事件数。

3.根据权利要求2所述的基于波形积分的光子数分辨方法，其特征在于，所述归一化的具体方法是，用输出电荷量Q或波形积分值A的序列除以1倍幅度雪崩脉冲对应的电荷量或波形积分值。