基于波形積分的光子數分辨方法及其採用的光子分辨系統與流程

2023-06-01 22:28:21

本發明屬於微弱光探測方法技術領域，涉及一種採用波形積分的光子數分辨方法。

背景技術：
現有的脈衝光子數的測量方法主要有三類：第一類方法是使用電荷數字轉換器(即QDC，ChargetoDigitalConverter)，將具有單光子響應能力的探測器輸出的信號電荷量進行統計分析；第二類方法是利用模數轉換器(即ADC，AnalogtoDigitalConverter)或多道分析器(即MCA，Multi-ChannelAnalyzer)或數字示波器對具有單光子響應能力的探測器的輸出信號進行幅度統計分析；第三類方法如發明專利所述(該發明的申請號為：201210098265.0，申請日為：2012-04-06，公開號為：102607721A)通過測量探測器對不同入射光子數的響應時間來得知入射光場中的光子數目。利用第一類方法能夠獲得較好峰谷比的光子數分辨譜(PaoloFinocchiaro,AlfioPappalardo,LuigiCosentino,etal.,CharacterizationofaNovel100-ChannelSiliconPhotomultiplier—PartII:ChargeandTime,IEEETRANSACTIONSONELECTRONDEVICES,VOL.55，NO.10，OCTOBER，(2008)pp.2765-2773)，但是系統較為複雜，高速QDC及門產生器等儀器造價昂貴，且屬於專用測量裝置，通用性不強。在第二類方法中，利用ADC或MCA測量的光子數分辨譜受電子學噪聲的影響嚴重，導致光子數分辨能力較差，且同樣存在系統通用性不強的問題(M.Grodzicka,M.Moszy′nski,T.Szcz，etal.，EnergyresolutionofsmallscintillationdetectorswithSiPMlightreadout，JINST,VOL.8,P02017，(2013)1-17)。利用數字示波器進行探測器信號的脈衝幅度統計方法則較為簡單，光子數分辨譜的獲取速度較快，然而依然容易受到電子學噪聲的影響，使得光子數分辨譜的峰谷比不好(J.M.Yebras，P.Antoranz，J.M.Miranda，J.Europ.Opt.Soc.Rap.Public.，VOL.7,(2012)，12014，1-8)。第三類方法需要用到數據擬合的方法進行離線分析，因而光子數分辨速度較慢。

技術實現要素：
本發明的目的在於提供一種基于波形積分的光子數分辨方法，解決了現有的光子數分辨方法中存在光子數分辨能力不強、造價昂貴及光子數分辨速度慢的問題。本發明的另一目的在於提供上述光子數分辨方法中採用到的光子數分辨系統。本發明所採用的第一種技術方案是，採用波形積分的光子數分辨方法，具體按照以下步驟實施：步驟1、光子照射到多像素光子計數器後，多像素光子計數器輸出雪崩信號，輸出的雪崩信號通過同軸電纜輸入至數字示波器內的模擬通道，由數字示波器顯示出信號波形；步驟2、經步驟，數字示波器將顯示的信號波形對應的波形電壓值的傳送至計算機內，計算機內安裝的虛擬儀器軟體LabVIEW將送入的波形電壓值對時間進行實時積分，計算波形積分值A，再計算出輸出電荷量Q，具體按照以下步驟實施：步驟2.1、經步驟1，數字示波器將顯示的信號波形對應的波形電壓值的傳送至計算機內；步驟2.2、計算機內安裝的虛擬儀器軟體，將經步驟2.1送入計算機內波形電壓值對時間進行實時積分，計算波形積分值A，該波形積分值A實際上是時域上的離散電壓值的積分，波形積分值A的算法具體如下：式中，A是電壓波形的積分值，即波形面積值，V(ti)是在時間點ti測量的電脈衝波形信號的電壓值，Δt是採樣時間間隔，Ta、Tb分別是採樣時間的起始時刻和終止時刻；步驟2.3、根據步驟2.2計算得到的波形積分值A，按照如下算法計算出輸出電荷量Q：式(2)中，Rs是負載電阻值，I(t)和V(t)分別為雪崩信號波形的電流(I)或電壓(V)隨時間t變化的函數；步驟2.4、多次重複步驟2.1和步驟2.2，獲得多個輸出電荷量Q的值，最終得到輸出電荷量Q的序列；步驟3、將經步驟2獲得的輸出電荷量Q的序列進行直方圖統計分析，繪製出統計直方圖；步驟4、觀察經步驟3得到的直方圖，即可直接獲得探測到的最可幾光子數或平均光子數信息；步驟5、利用經步驟4探測到的最可幾光子數或平均光子數除以多像素光子計數器的光子探測效率，即可得到入射光場的最可幾光子數或平均光子數。本發明第一種技術方案的特點還在於：步驟3中統計直方圖的橫坐標為輸出電荷量Q的值、波形積分值A或歸一化值，縱坐標為事件數。歸一化的具體方法是，用輸出電荷量Q或波形積分值A的序列除以1倍幅度雪崩脈衝對應的電荷量或波形積分值。本發所採用的第二種技術方案是，基于波形積分的光子數分辨方法中採用的光子分辨系統，包括有多像素光子計數器，多像素光子計數器通過導線與穩壓電源連接，多像素光子計數器的入射窗口處連接有光纖耦合器，光纖耦合器通過光纖與脈衝雷射器的雷射輸出端連接，多像素光子計數器的信號輸出端通過同軸電纜與數字示波器內的模擬通道連接，數字示波器內的觸發通道通過同步信號與脈衝雷射器的輸入端信號連接，數字示波器通過USB數據傳輸線與計算機連接。本發明第二種技術方案的特點還在於：多像素光子計數器採用MPPCC11209-10型單光子探測器。穩壓電源採用IT6235型精密穩壓電源。數字示波器採用DPO4102B-L型數字示波器。脈衝雷射器採用PDL-800D型皮秒脈衝雷射器。光纖耦合器採用FC型法蘭盤。光纖採用內徑為9微米，外直徑為125微米FC接口單模光纖。本發明的有益效果是：(1)本發明採用波形積分的光子數分辨方法，緩解了現有的光子數分辨方法中存在光子數分辨能力不強、造價昂貴及光子數分辨速度慢的問題。(2)本發明採用波形積分的光子數分辨方法，提高了光子數分辨能力，只需使用實驗室通用的測試儀器進行測量，降低了測量成本，同時提高了光子數分辨的速度。附圖說明圖1是本發明的光子數分辨方法中採用的光子分辨系統的結構示意圖；圖2是本發明的光子數分辨方法的流程圖；圖3是現有第二類方法中的利用數字示波器幅度統計分析得到的光子數分辨譜圖；圖4是本發明的光子數分辨方法中利用數字示波器波形積分直方圖統計分析的光子數分辨譜圖。圖中，1.多像素光子計數器，2.穩壓電源，3.數字示波器，4.脈衝雷射器，5.計算機，6.光纖耦合器，7光纖。具體實施方式下面結合附圖和具體實施方式對本發明進行詳細說明。本發明基于波形積分的光子數分辨方法中採用的分辨系統，其結構如圖1，包括有多像素光子計數器1，多像素光子計數器1通過導線與穩壓電源2連接，多像素光子計數器1的入射窗口處連接有光纖耦合器6，光纖耦合器6通過光纖7與脈衝雷射器4的雷射輸出端連接，多像素光子計數器1的信號輸出端通過同軸電纜與數字示波器3內的模擬通道連接，數字示波器3內的觸發通道通過同步信號與脈衝雷射器4的輸入端信號連接，數字示波器3通過USB數據傳輸線與計算機5連接。多像素光子計數器1採用MPPCC11209-10型單光子探測器(日本濱松公司生產)。穩壓電源2採用IT6235型精密穩壓電源(臺灣艾德克斯公司生產)。數字示波器3採用DPO4102B-L型數字示波器(1GHzbandwidth，5GSa/s，Tektronix公司生產)。脈衝雷射器4採用PDL-800D型皮秒脈衝雷射器(德國PicoQuant公司生產，波長670nm，時間半高寬44ps)。光纖耦合器6採用FC型法蘭盤。光纖7採用內徑為9微米，外直徑為125微米FC接口單模光纖。本發明採用波形積分的光子數分辨方法，具體按照以下步驟實施：步驟1、光子照射到多像素光子計數器1後，多像素光子計數器1輸出雪崩信號，輸出的雪崩信號通過同軸電纜輸入至數字示波器3內的模擬通道，由數字示波器3顯示出信號波形；步驟2、經步驟1，數字示波器3將顯示的信號波形對應的波形電壓值的傳送至計算機5內，計算機5內安裝的虛擬儀器軟體(LabVIEW)將送入的波形電壓值對時間進行實時積分，計算波形積分值A，再計算出輸出電荷量Q，具體按照以下步驟實施：步驟2.1、經步驟1，數字示波器3將顯示的信號波形對應的波形電壓值的傳送至計算機5內；步驟2.2、計算機5內安裝的虛擬儀器軟體，將經步驟2.1送入計算機5內波形電壓值對時間進行實時積分，計算波形積分值A，該波形積分值A實際上是時域上的離散電壓值的積分，波形積分值A的算法具體如下：式(1)中，A是電壓波形的積分值，即波形面積值，V(ti)是在時間點ti測量的電脈衝波形信號的電壓值，Δt是採樣時間間隔，Ta、Tb分別是採樣時間的起始時刻和終止時刻；步驟2.3、根據步驟2.2計算得到的波形積分值A，按照如下算法計算出輸出電荷量Q：式(2)中，Rs是負載電阻值，I(t)和V(t)分別為雪崩信號波形的電流(I)或電壓(V)隨時間t變化的函數；步驟2.4、多次重複步驟2.1和步驟2.2，獲得多個輸出電荷量Q的值，最終得到輸出電荷量Q的序列；步驟3、將經步驟2獲得的輸出電荷量Q的序列進行直方圖統計分析，繪製出統計直方圖；由於Rs在確定的系統中是不變的，所以輸出電荷量Q與波形積分值A成正比，為了簡便，可直接對波形積分值A直方圖統計；因此，統計直方圖的橫坐標既可以是輸出電荷量Q的值也可以是波形積分值A，還可以是歸一化值，縱坐標為事件數；歸一化的具體方法是，用輸出電荷量Q或波形積分值A的序列除以1倍幅度雪崩脈衝對應的電荷量或波形積分值。步驟4、觀察經步驟3得到的直方圖，即可直接獲得探測到的最可幾光子數或平均光子數信息；步驟5、利用經步驟4探測到的最可幾光子數或平均光子數除以多像素光子計數器1的光子探測效率，即可得到入射光場的最可幾光子數或平均光子數。本發明基于波形積分的光子數分辨方法，其原理如下：在光強不太強的情況下，多像素光子計數器1輸出信號的電荷量與入射的光子數成正比(RobertH.Hadfield,single-photondetectorsforopticalquantuminformationapplications,NaturePhotonics,VOL3,(2009)696-705.)，所以通過測量輸出信號的電荷量即可得知入射光子數。當光子照射到多像素光子計數器1時，多像素光子計數器1將輸出具有一定時間寬度的電脈衝信號，該電脈衝信號可用一個電流(I)或電壓(V)隨時間t變化的函數I(t)或V(t)表示，將I(t)或V(t)對時間積分後，即得到電脈衝信號對應的輸出電荷量Q，如上述式(2)所示。可以看出：在Rs不變的情況下，電脈衝信號對應的輸出電荷量Q和波形積分值A成正比，因此只要測量波形積分值A，除以一個光子對應的波形積分值，再除以探測器的光子探測效率，便可得到出入射光子數。為了提高光子數信息的置信度，通常對一系列波形積分值A(即波形面積值)或對應的輸出電荷量Q進行直方圖統計，從而獲得光子數分辨譜。利用本發明基于波形積分的光子數分辨方法獲得入射光子數信息的有益效果如下：(1)對一段短時間內的波形進行積分，抵消了電子學噪聲的影響，從而提高了光子數分辨能力；(2)只需用實驗室通用的數字示波器3即可進行實驗測量，無需購買專用的實驗儀器，從而節省了資金；(3)可以實時獲取波形積分值，無需離線進行數據的擬合分析，從而在短時間內獲得入射光子數信息。本發明基于波形積分的光子數分辨方法中採用的分辨系統中各部件的相互作用如下：脈衝雷射器4的雷射輸出端通過光纖7、光纖耦合器6連接到多像素光子計數器模塊1的入射窗口，同時多像素光子計數器模塊1將同步信號通入到數字示波器3的觸發通道作為同步觸發信號；多像素光子計數器模塊1通過穩壓電源2加偏壓，多像素光子計數器模塊1的信號輸出端通過同軸電纜連接到數字示波器3的模擬通道，用以對信號進行記錄；數字示波器3通過USB數據傳輸線實時傳輸波形數據到計算機5上，利用虛擬儀器軟體(LabVIEW)根據式(2)編程進行實時積分，同時進行積分值的直方圖統計，從而獲得光子數分辨譜。圖4為利用本發明基于波形積分的光子數分辨方法，結合分子分辨系統獲得的波形積分光子數分辨譜，查多像素光子計數器模塊1測試報告得知其在670nm處的光子探測效率為7％，則根據圖4可知，雷射相對強度為18％時，入射光場的平均光子數為14/7％＝200個。圖3及圖4為證明本發明基于波形積分的光子數分辨方法的優勢所做的對比實驗，在圖3及圖4中，p.e.是等效光子數(photonnumberequivalent)的縮寫。如圖3所示，為用現有的第二類方法中的示波器幅度統計分析獲得的光子數分辨譜；如圖4所示，為利用本發明基于波形積分的光子數分辨方法，即用數字示波器3波形積分統計獲得的光子數分辨譜；對比兩個圖可以明顯看出，用本發明基于波形積分的光子數分辨方法獲得的光子數分辨譜的峰谷比明顯較好，可以清晰分辨出47個光子等效峰，雷射相對強度為18％時，探測到的平均光子數為14個，如圖4所示；而用現有的第二類方法獲得的光子數分辨譜只能分辨13個光子等效峰，如圖3所示。本發明基于波形積分的光子數分辨方法中，光子數分辨能力遠遠大於用示波器幅度統計分析的光子數分辨能力，本發明基于波形積分的光子數分辨方法能夠分辨的光子數為目前常溫下所報導的最大值。