CN108827477A - 一种单光子探测器探测效率自动校准装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种单光子探测器探测效率自动校准装置及方法。所述装置包括电学模块、光学模块及单光子探测器；电学模块包括FPGA芯片和延时器；光学模块包括激光器和光衰减器。所述方法包括：FPGA芯片通过单光子探测器发送相应指令调节单光子探测器工作直流偏压，使得单光子探测器探测效率不为零；激光器在FPGA芯片触发信号控制下，发送固定脉宽的周期光信号，光信号经过衰减器后衰减为平均光子数已知的弱相干脉冲光信号；FPGA芯片控制延时器，调节单光子探测器触发信号的延时，使得计数率最大；FPGA芯片调节单光子探测器的工作直流偏压，使得实际探测效率与目标探测效率一致。本发明可以快速、精确地完成对单光子探测器探测效率的自动校准。
Description
技术领域
本发明属于单光子探测领域，具体涉及一种单光子探测器探测效率自动校准装置及方法。
背景技术
单光子信号探测技术广泛应用在在生物光子学、医学影像、非破坏性材料检查、量子成像以及量子密钥分配系统等领域。常用的单光子探测器主要包含工作在门控淬火模式下的雪崩半导体光电二极管单光子探测器和基于超导材料的超导单光子探测器两种。相比于超导单光子探测器，雪崩二极管单光子探测器具有体积小，易于集成，成本较低，无需极低温等优点，其应用范围也更加广泛。
雪崩二极管单光子探测器工作在盖革模式下，当单个光子被半导体材料吸收后，产生一个电子-空穴对，载流子在盖革模式下，由于雪崩效应输出宏观电流。为了使探测器在产生雪崩信号之后恢复到初始状态以探测下一个单光子信号，同时输出同步的探测信号，需要在探测器后端增加一个淬火电路。为了降低单光子探测器的暗计数率，单光子探测器通常工作在门控淬火模式下。
工作在门控淬火模式下的单光子探测器在使用之前需要对其探测效率进行校准，通过调节单光子探测器的直流偏压，使得其探测效率与目标值一致。需要注意的是，在调节单光子探测器的直流偏压之前，需要调节门控淬火电路的延时，使得单光子信号的达到时刻与单光子探测器的激活时刻一致。通常，这个工作由人工完成，这样做不仅会耗费大量的人力，效率低下，而且校准精度有限，误差较大。因此，需要一种单光子探测器探测效率自动校准的方法以及装置，将繁琐的过程自动化，提高校准的效率及精度。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种单光子探测器探测效率自动校准装置及方法，可以快速、精确地完成对单光子探测器探测效率的自动校准。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种单光子探测器探测效率自动校准装置，包括电学模块、光学模块及单光子探测器；其中，
所述电学模块包括FPGA芯片和延时器，所述FPGA芯片与单光子探测器电相连；所述FPGA芯片、延时器与单光子探测器依次电连接；
所述光学模块包括激光器和光衰减器，所述激光器、光衰减器与单光子探测器通过光纤依次相连接；
所述FPGA芯片与所述激光器电连接。
进一步地，所述单光子探测器由工作在门控淬火模式下的雪崩半导体光电二极管构成。
一种单光子探测器探测效率自动校准方法，包括：
步骤1：FPGA芯片通过发送相应指令调节单光子探测器工作直流偏压，使得单光子探测器探测效率不为零；
步骤2：激光器在FPGA芯片触发信号控制下，发送固定脉宽的周期光信号，周期光信号经过衰减器后衰减为平均光子数已知的弱相干脉冲光信号，并入射单光子探测器；
步骤3：FPGA芯片控制延时器，调节单光子探测器触发信号的延时，单光子探测器发送计数信号至FPGA芯片，FPGA芯片统计单光子探测器计数率信息，将延时设置为计数率最大位置；
步骤4：FPGA芯片根据单光子探测器的探测效率调节单光子探测器的工作直流偏压，使得实际探测效率与目标效率一致。
进一步地，所述步骤4包括：
根据下述公式计算单光子探测器的探测效率，判断是否大于目标探测效率：
其中，η为探测效率，μ为平均光子数，d为暗计数率，QD为计数率；
若计算出的探测效率低于目标探测效率，则FPGA芯片发送相应指令，提升单光子探测器的直流工作电压；
若计算出的探测效率高于目标探测效率，则FPGA芯片发送相应指令，降低单光子探测器的直流工作电压。
进一步地，所述激光器发送脉冲的波长与脉宽，与所述单光子探测器正常工作时入射的光脉冲一致。
进一步地，所述延时器的调节精度，与所述单光子探测器正常工作时的触发信号延时可以调节的精度一致。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果：
本发明提供的单光子探测器探测效率自动校准装置及方法，可以完成单光子探测器探测效率的自动校准，具有高效率、高精度、低误差的优点。该自动校准装置结构简单，既可以单独完成对单光子探测器探测效率的自动校准，也可以集成到应用设备中，在单光子探测器使用之前完成对探测效率的自动校准，保证其测量结果的正确性与准确性。该自动校准方法流程简单，可以快速、精确地完成对单光子探测器探测效率的自动校准。
附图说明
图1为本发明实施例的一种单光子探测器探测效率自动校准装置的结构示意图。
图2为本发明实施例的一种单光子探测器探测效率自动校准方法的基本流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明做进一步的解释说明：
实施例一：
如图1所示，本发明的一种单光子探测器探测效率自动校准装置，包括电学模块10、光学模块20及单光子探测器30；
所述电学模块10由FPGA芯片11、延时器12、数据传输线13、单光子探测信号输出线14、延时器控制线15以及触发信号传输线16构成。其中，延时器12输入端及控制端与FPGA芯片11相连；延时器12输出端与单光子探测器30触发信号输入端相连；单光子探测器30通信接口与FPGA芯片11通过数据传输线13连接；单光子探测器30探测信号输出端与FPGA芯片11通过单光子探测信号输出线14连接。
所述光学模块20由激光器21和光衰减器22构成。其中，激光器21输入端与FPGA芯片11连接；激光器21输出端与光衰减器22输入端通过光纤连接；光衰减器22输出端与单光子探测器30光纤输入端通过光纤连接。
所述单光子探测器30由工作在门控淬火模式下的雪崩半导体光电二极管构成。
使用时，自动校准设备开始工作后，FPGA芯片11通过数据传输线13发送相应的指令给待校准单光子探测器30，以调节单光子探测器30的直流偏压，使单光子探测器30的探测效率不为零；激光器21开始工作，发送固定脉宽的周期光信号，该周期光信号经过衰减器22后衰减为平均光子数已知的弱相干脉冲光信号；通过延时器12，调节待校准单光子探测器30触发信号的延时，同时通过单光子探测信号输出线14统计单光子探测器30的计数率信息，利用传统的寻峰算法得出计数率最大的位置，将延时设置在计数率最大的位置；FPGA芯片11根据单光子探测器的探测效率调节待校准单光子探测器30的直流工作偏压，使得实际探测效率与目标效率一致。
实施例二：
如图2所示，本发明的一种单光子探测器探测效率自动校准方法，包括以下步骤：
步骤S201：FPGA芯片发送相应指令调节单光子探测器工作直流偏压，使得单光子探测器探测效率不为零。
步骤S202：激光器在FPGA芯片触发信号控制下，发送固定脉宽的周期光信号，周期光信号经过衰减器后衰减为平均光子数已知的弱相干脉冲光信号，并入射单光子探测器。
步骤S203：FPGA芯片控制延时器，调节单光子探测器触发信号的延时，单光子探测器发送计数信号至FPGA芯片，FPGA芯片统计单光子探测器计数率信息，将延时设置为计数率最大位置；作为一种可实施方式，利用传统的寻峰算法，得出计数率最大的位置。
步骤S204：FPGA芯片根据单光子探测器的探测效率调节单光子探测器的工作直流偏压，使得实际探测效率与目标效率一致。
所述步骤S204包括：
根据下述公式计算单光子探测器的探测效率，判断是否大于目标探测效率：
其中，η为探测效率，μ为平均光子数，d为暗计数率，QD为计数率；所述目标探测效率根据用户需求确定，如用户需要探测效率达到20％，则目标探测效率为20％。
若计算出的探测效率低于目标探测效率，则FPGA芯片发送相应指令，提升单光子探测器的直流工作电压；
若计算出的探测效率高于目标探测效率，则FPGA芯片发送相应指令，降低单光子探测器的直流工作电压。
上述步骤S204构成一个负反馈，其中，提升和降低直流工作电压的幅度可以根据实际设置，既可以通过“粗调”“细调”结合方法，加快调节速度，也可以简单的利用最小步长逐步调节。
以上所示仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种单光子探测器探测效率自动校准装置，其特征在于，包括电学模块、光学模块及单光子探测器；其中，
所述电学模块包括FPGA芯片和延时器，所述FPGA芯片与单光子探测器电相连；所述FPGA芯片、延时器与单光子探测器依次电连接；
所述光学模块包括激光器和光衰减器，所述激光器、光衰减器与单光子探测器通过光纤依次相连接；
所述FPGA芯片与所述激光器电连接。
2.根据权利要求1所述的一种单光子探测器探测效率自动校准装置，其特征在于，所述单光子探测器由工作在门控淬火模式下的雪崩半导体光电二极管构成。
3.一种单光子探测器探测效率自动校准方法，其特征在于，包括：
步骤1：FPGA芯片通过发送相应指令调节单光子探测器工作直流偏压，使得单光子探测器探测效率不为零；
步骤2：激光器在FPGA芯片触发信号控制下，发送固定脉宽的周期光信号，周期光信号经过衰减器后衰减为平均光子数已知的弱相干脉冲光信号，并入射单光子探测器；
步骤3：FPGA芯片控制延时器，调节单光子探测器触发信号的延时，单光子探测器发送计数信号至FPGA芯片，FPGA芯片统计单光子探测器计数率信息，将延时设置为计数率最大位置；
步骤4：FPGA芯片根据单光子探测器的探测效率调节单光子探测器的工作直流偏压，使得实际探测效率与目标效率一致。
4.根据权利要求3所述的一种单光子探测器探测效率自动校准方法，其特征在于，所述步骤4包括：
根据下述公式计算单光子探测器的探测效率，判断是否大于目标探测效率：
其中，η为探测效率，μ为平均光子数，d为暗计数率，QD为计数率；
若计算出的探测效率低于目标探测效率，则FPGA芯片发送相应指令，提升单光子探测器的直流工作电压；
若计算出的探测效率高于目标探测效率，则FPGA芯片发送相应指令，降低单光子探测器的直流工作电压。
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