CN106768401B - 一种微能量脉冲激光光子数测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微能量脉冲激光光子数测量装置及方法。脉冲激光器发射的脉冲激光经平面采样分光镜分光；反射光衰减后进入光电倍增管，经光电倍增管转换为电压信号后输出至计算机的采集卡；透射光输送到能量计，能量计探测到透射光能量信号并输送到计算机；计算机中的测量软件根据采集卡的输入信号和能量计探测到的能量信号，进行数据处理，得到光电倍增管的光电转换率。根据光电倍增管工作系数与采集卡获得的光电倍增管输出的的电压信号进行数据处理，得到到达光电倍增管的待测脉冲光子数。本发明克服了传统光子计数技术中的甄别器死时间限制和倍增管输出脉冲堆积效应的不足，可实现对纳秒级微能量脉冲激光信号的光子数测量。

Description

一种微能量脉冲激光光子数测量装置及方法

技术领域

本发明涉及的是光电探测技术领域，尤其是一种微能量脉冲激光光子数测量装置及方法。

背景技术

传统的光子计数技术一般采用光电倍增管作为探测器，通过分辨单个光子在探测器中激发出来的光电子脉冲，把光信号从热噪声中以数字化的方式提取出来。一般情况下，弱光信号在时间上较分散，因而由探测器输出的是离散电信号。针对这一特点，采用脉冲放大、脉冲高度甄别和数字计数技术进行单光子计数。累计输出的脉冲计数即为探测到的光子数。对于离散弱光信号，传统单光子计数方法较为可取。但对于短脉冲微光光子计数时，该方法失去实用价值。其原因主要存在于两各方面：

1、甄别器死时间限制：当输入脉冲的幅度大于脉冲高度甄别器的甄别电平时，甄别器即输出一个有一定幅度和形状的标准脉冲，在它恢复原状以前甄别器不能接受后续脉冲，这段时间称为死时间，一般甄别器的死时间在10ns左右；因此，如果在甄别器死时间内(数ns)有多个光子到达光电倍增管光阴极，将造成计数率损失。

2、倍增管输出脉冲堆积效应：光电倍增管输出的脉冲有一定宽度t_ω(10ns左右)，称为分辨时间。当后续光电子脉冲与前一脉冲的时间间隔小于t_ω时，阳极回路只输出一个脉冲，这种现象称为脉冲堆积效应。脉冲堆积发生时，系统无法分辨同时到达的多个脉冲信号，从而造成计数率损失。

基于以上两方面原因，对于纳秒(ns)级甚至飞秒(fs)级短脉冲激光的光子数测量，传统的光子计数方法已不再适用。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种微能量脉冲激光光子数测量装置及方法，该方案采用由脉冲激光器、分光镜、能量计、平面全反镜、衰减器、屏蔽筒、光电倍增管和计算机组成的测量装置进行光子计数，克服了传统光子计数技术中的甄别器死时间限制和倍增管输出脉冲堆积效应的不足，可以实现对纳秒级微能量脉冲激光的光子数测量。在采集卡采样率和计算机高速缓存允许的条件下，亦可扩展到微秒级至毫秒级微能量脉冲激光光子数测量，且对连续极弱激光信号也能实现光子数测量。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种微能量脉冲激光光子数测量装置，包括有脉冲激光器、分光镜、能量计、平面全反镜、衰减器、屏蔽筒、光电倍增管和计算机；脉冲激光器发出的激光束经过分光镜后分为透射光和反射光射出；透射光传输至能量计；能量计与计算机信号连通；反射光经过平面全反镜反射后依次穿过衰减器和屏蔽筒后进入光电倍增管；光电倍增管与计算机数据连通。

作为本方案的优选：反射光与透射光从分光镜处发射出去时光路间互不干涉。

作为本方案的优选：反射光经过平面全反镜反射后的光路与透射光的光路间互不干涉。

作为本方案的优选：分光镜与平面反射镜之间的光路中设置有小孔光阑。

作为本方案的优选：脉冲激光器、分光镜、能量计、平面全反镜、衰减器、屏蔽筒、光电倍增管均设置在暗室中。

一种微能量脉冲激光光子数测量方法，包括有以下步骤：

a.脉冲激光器发射脉冲激光，脉冲激光经平面采样分光镜分光，得到反射光和透射光，平面采样分光镜的反射率与透射率之比为η；

b.反射光经小孔光阑、全反射镜、衰减器和屏蔽筒后进入光电倍增管，经光电转换后，得到电压信号，电压信号由光电倍增管的光阴极输出至计算机的采集卡，衰减器的透射率为T；

c.透射光输送到能量计，能量计探测到透射光能量信号并输送到计算机，能量计探测到的能量为E₀；

d.进入光电倍增管的激光单脉冲能量E_i为：

E_i＝η·T·E₀ (1.1)

设单光子能量为ε_i，则入射光子数为：

e.设置光电倍增管的工作电压；

f.设置计算机采集卡的采样频率，以2ns的时间间隔采集光电倍增管输出的电压信号；

g.计算机中的测量软件读出采集卡发送的光电倍增管输出电压值，与步骤d获得的入射光子数相除，电压信号与输入光电倍增管的光子数之比，即光电倍增管的光电转换率，用k表示；设采样帧数为N，光电倍增管输出单帧电压信号强度为I_i，由统计学分析可知，光电倍增管光电转换率表示为：

h.获得了光电倍增管的平均光电转换率后，就可以在入射激光强度未知的情况下，计算到达光电倍增管的光子数，计算机中的测量软件根据步骤g获得的光电倍增管的平均光电转换率与采集卡获得的光电倍增管输出的的电压信号相乘，即可得到到达光电倍增管的待单测脉冲光子数；

为降低光电倍增管的随机性响应误差，提高测量精度，在测量时对N帧采样值做统计平均，可以得到待测单脉冲光子数：

i.对于不同波长脉冲激光，光电倍增管的光电转换率也不同，需要分别进行测量。

作为本方案的优选：步骤g中，脉冲激光器输出几种不同能量脉冲激光，计算机采用公式(1.3)对每种能量条件进行200个脉冲测量，分别获得了各能量条件下的光电倍增管的光电转换率，再取平均值，即可获得平均光电转换率。

作为本方案的优选：步骤d中，当激光器输出激光波长为532nm时，单光子能量ε_i≈3.6×10^-19，当激光器发射波长为其它波长时，单光子能量ε_i可根据普朗克常数和光子频率进行相应的物理变换。

作为本方案的优选：步骤h中，光电转换率与待测微能量脉冲激光波长匹配。

本发明的微能量脉冲激光光子数测量方法克服了传统光子计数技术中的甄别器死时间限制和倍增管输出脉冲堆积效应的不足，可以实现对纳秒级微能量脉冲激光的光子数测量。在采集卡采样率和计算机高速缓存允许的条件下，亦可扩展到微秒级至毫秒级微能量脉冲激光光子数测量，且对连续极弱激光信号也能实现光子数测量。本发明可用于对特殊材料在脉冲激光照射下的散射截面特性研究；也可用于分子物理研究领域中染料受激发射光谱特性研究；军事上，可用于对远距离弱信号目标实施微光探测。

由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2是本发明方法获得的光电倍增管输出的典型单帧脉冲电压信号图；

图3是本发明方法获得的统计200帧光子数分布图；

图4是本发明方法获得的统计脉冲数与光子数相对标准偏差关系图。

图中，1为暗室，2为脉冲激光器，3为分光镜，4为能量计，5为计算机，6为平面全反镜，7为衰减器，8为屏蔽筒，9为光电倍增管。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

如图所述，本方案包括有脉冲激光器、分光镜、能量计、平面全反镜、衰减器、屏蔽筒、光电倍增管和计算机；脉冲激光器发出的激光束经过分光镜后分为透射光和反射光射出；透射光传输至能量计；能量计与计算机信号连通；反射光经过平面全反镜反射后依次穿过衰减器和屏蔽筒后进入光电倍增管；光电倍增管与计算机数据连通。反射光与透射光从分光镜处发射出去时光路间互不干涉。反射光经过平面全反镜反射后的光路与透射光的光路间互不干涉。分光镜与平面反射镜之间的光路中设置有小孔光阑。脉冲激光器、分光镜、能量计、平面全反镜、衰减器、屏蔽筒、光电倍增管均设置在暗室中。

本方案的测量方法为：

a.脉冲激光器发射脉冲激光，脉冲激光经平面采样分光镜分光，得到反射光和透射光，平面采样分光镜的反射率与透射率之比为η；

b.反射光经小孔光阑、全反射镜、衰减器和屏蔽筒后进入光电倍增管，经光电转换后，得到电压信号，电压信号由光电倍增管的光阴极输出至计算机的采集卡，衰减器的透射率为T；

c.透射光输送到能量计，能量计探测到透射光能量信号并输送到计算机，能量计探测到的能量为E₀；

d.进入光电倍增管的激光单脉冲能量E_i为：

E_i＝η·T·E₀ (1.1)

设单光子能量为ε_i，则入射光子数为：

本发明中的具体实施方式中，激光器输出激光波长为532nm，单光子能量ε_i≈3.6×10^-19，当激光器发射波长为其它波长时，单光子能量ε_i可根据普朗克常数和光子频率进行相应的物理变换；

e.设置光电倍增管工作电压为800V直流电压；

f.设置计算机采集卡采样频率为500MHz，以2ns的时间间隔采集光电倍增管输出的电压信号；

g.计算机中的测量软件读出采集卡发送的光电倍增管输出电压值，与步骤d获得的入射光子数相除，得到800V工作电压和500MHz采样频率条件下，电压信号与输入光电倍增管的光子数之比，即光电倍增管的光电转换率，用k表示；

光电倍增管光电转换率：光电倍增管响应单光子而产的生阳极输出电压强度，称为光电倍增管光电转换率，表现为光电倍增管阳极输出信号强度积分值与输入光子数总和之比，单位为mV/Photon。同一光电倍增管对不同波长激光的光电转换率也不同。

由统计光学原理可知，光电倍增管各倍增极的倍增系数不是恒定值，大体上服从泊松分布的统计分布，因此，单个激光脉冲的测量结果并不能准确反映光电倍增管的光电转换率。为提高测量精度，本发明方法取200帧采样测量结果的平均值作为光电倍增管的光电转换率；

设采样帧数为N(本发明中取N＝200，每帧对一个光脉冲进行采样)，光电倍增管输出单帧电压信号强度为I_i，由统计学分析可知，光电倍增管光电转换率表示为：

脉冲激光器输出几种不同能量脉冲激光，计算机采用公式(1.3)对每种能量条件进行200个脉冲测量，分别获得了各能量条件下的光电倍增管的光电转换率，再取平均值，即可获得平均光电转换率。

h.获得了光电倍增管的平均光电转换率后，就可以在入射激光强度未知的情况下，计算到达光电倍增管的光子数，计算机中的测量软件根据步骤g获得的光电倍增管的平均光电转换率与采集卡获得的光电倍增管输出的的电压信号相乘，即可得到到达光电倍增管的待单测脉冲光子数。

为降低光电倍增管的随机性响应误差，提高测量精度，在测量时对N帧采样值做统计平均，可以得到待测单脉冲光子数：

i.对于不同波长脉冲激光，光电倍增管的光电转换率也不同，需要分别进行测量。

步骤h中的光电转换率需要与待测微能量脉冲激光波长一致。

本方案的实施例：

脉冲激光器1输出的脉冲能量通常控制在3mJ以内，衰减器的光学OD值在13以上，理论上可将进入光电倍增管的单脉冲光子数衰减在1000个光子以内。

在图1中，测量方法采532nm固体脉冲激光器作为发射光源，脉宽13ns(半功率全宽)，能量稳定度5％；探测器为北京滨松公司生产的CR131型侧窗型光电倍增管，光阴极对532nm光量子效率约14％，响应时间2.2ns。

测量过程中，利用计算机上的数据采集卡，对每个脉冲能量和光电倍增管同步输出的信号进行数据采集并处理。

在开展对未知的待测微能量脉冲激光光子数测量前，需要对光电倍增管的光电转换率进行测量。

调节光电倍增管工作电压为800V，脉冲激光器输出5种不同能量脉冲激光，计算机对每种能量条件进行了200个脉冲测量，分别获得了各能量条件下的光电倍增管的光电转换率，再取平均值，获得平均光电转换率。根据测量软件计算得到光电倍增管的平均光电转换率为2.58mV/Photon，测量记录见表1。

表1光电转换率测量记录

完成光电转换率测量后，即可对待测微能量脉冲激光入射光子数进行测量。

仍采用图1所示布局，光电倍增管工作电压800V，脉冲激光器输出4种不同能量的脉冲激光，能量计测量的能量值输送到计算机，仅作为验证测量方法准确性的参考依据，不作为测量软件的计算条件。对每种能量条件，光电倍增管接收衰减后的脉冲激光，输出电压信号到计算机采集卡，计算机对采集到200帧脉冲电压信号取平均，再根据前面测量得到的平均光电转换率，即可计算出当前测量条件下待测微能量脉冲激光的脉冲光子数。图2为光电倍增管输出的典型单帧脉冲电压信号图，横轴为采集时间，纵轴为信号强度，表示当前能量条件下每脉冲激光激发光电倍增管输出的电压信号强度的大小。图3为200个脉冲的统计光子数分布图，其横轴表示脉冲数，纵轴是根据平均光电转换率和采集的信号强度计算得到的脉冲光子数。

表2所示为4次不同能量脉冲光子数测量结果。其中，“实际输入光子数”为200个脉冲能量值换算成光子数所得到的平均值。“测量光子数”即本发明测量方法获得的待测脉冲光子数。计算了各次实验误差。表2中的测量的非线性误差最大为8.7％。误差主要来源于系统误差。

表2工作电压800V时脉冲微光光子数测量记录

由统计光学原理可知，光电倍增管各倍增极的倍增系数不是固定值，大体上服从泊松分布。当输入光子数较少时，对单脉冲的测量精度较差，必须对多个脉冲数据进行统计，得到的数据才有意义。图4是统计脉冲数与光子数相对标准偏差关系图，可见，对单脉冲测量的相对标准偏差可达70％以上，随统计脉冲数的增多，偏差减小，统计脉冲数为120时相对标准偏差约为1％。可见，本实验设置统计脉冲数为200所得到的测量结果是可靠的。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (7)

1.一种微能量脉冲激光光子数测量方法，基于微能量脉冲激光光子数测量装置，所述微能量脉冲激光光子数测量装置包括有脉冲激光器、分光镜、能量计、平面全反镜、衰减器、屏蔽筒、光电倍增管和计算机；所述脉冲激光器发出的激光束经过分光镜后分为透射光和反射光射出；所述透射光传输至能量计；所述能量计与计算机信号连通；所述反射光经过平面全反镜反射后依次穿过衰减器和屏蔽筒后进入光电倍增管；所述光电倍增管与计算机数据连通；所述分光镜与平面全反镜之间的光路中设置有小孔光阑；

其特征是：包括有以下步骤：

a.脉冲激光器发射脉冲激光，脉冲激光经平面采样分光镜分光，得到反射光和透射光，平面采样分光镜的反射率与透射率之比为η；

b.反射光经小孔光阑、全反射镜、衰减器和屏蔽筒后进入光电倍增管，经光电转换后，得到电压信号，电压信号由光电倍增管的光阴极输出至计算机的采集卡，衰减器的透射率为T；

c.透射光输送到能量计，能量计探测到透射光能量信号并输送到计算机，能量计探测到的能量为E0；

d.进入光电倍增管的激光单脉冲能量为：

（1.1）

设单光子能量为

，则入射光子数为：

（1.2）

e.设置光电倍增管的工作电压；

f.设置计算机采集卡的采样频率，以2ns的时间间隔采集光电倍增管输出的电压信号；

g.计算机中的测量软件读出采集卡发送的光电倍增管输出电压值，与步骤d获得的入射光子数相除，电压信号与输入光电倍增管的光子数之比，即光电倍增管的光电转换率，用k表示；设采样帧数为N，光电倍增管输出单帧电压信号强度为

，由统计学分析可知，光电倍增管光电转换率表示为：

（1.3）

h.获得了光电倍增管的平均光电转换率后，就可以在入射激光强度未知的情况下，计算到达光电倍增管的光子数，计算机中的测量软件根据步骤g获得的光电倍增管的平均光电转换率与采集卡获得的光电倍增管输出的的电压信号相乘，即可得到到达光电倍增管的待测单脉冲光子数；

为降低光电倍增管的随机性响应误差，提高测量精度，在测量时对N帧采样值做统计平均，可以得到待测单脉冲光子数：

（1.4）

i.对于不同波长脉冲激光，光电倍增管的光电转换率也不同，需要分别进行标定。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述步骤g中，脉冲激光器输出几种不同能量脉冲激光，计算机采用公式（1.3）对每种能量条件进行200个脉冲测量，分别获得了各能量条件下的光电倍增管的光电转换率，再取平均值，即可获得平均光电转换率。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述步骤d中，当激光器输出激光波长为532nm时，单光子能量

≈3.6×10-19，当激光器发射波长为其它波长时，单光子能量

可根据普朗克常数和光子频率进行相应的物理变换。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述步骤h中，光电转换率需与待测微能量脉冲激光波长匹配。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述反射光与透射光从分光镜处发射出去时光路间互不干涉。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述反射光经过平面全反镜反射后的光路与透射光的光路间互不干涉。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是：所述脉冲激光器、分光镜、能量计、平面全反镜、衰减器、屏蔽筒、光电倍增管均设置在暗室中。

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