单光子探测器后脉冲概率的测量开题报告.doc

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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穿效应引起的暗计数；另一类是由于

2、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、研究方向、进展情况、存在问题等，并列出10篇以上所

3、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。Roch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

4、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

5、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

6、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。SPCM1LaserTACStopStartMCAPCOASPCM2Optical shieldedL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的平均光子数为0.125后，通过

7、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线的影响。SPCM1和SPCM2置于光屏蔽装置中，用于避免环境光对于

8、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。TAC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

9、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。TA

10、C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。 图二脉冲激光的自关联函数曲线以及相应的暗计数由图二（a）可知，自关联函数曲线在前一雪崩脉冲后的一段时间内出现的次数为0。这段零计数时间大于TAC的死时间，因此它受到的是SPCM死时间的影响。在SPCM死时间内，探测器的工作电压低于雪崩电压，不可能产生后脉冲及暗计数。从图中可以很容易的得到单光子探测器的死时间约为50 ns。在死时间结束后，自关联函数曲线上出现了

11、一个很尖锐的峰（A峰）。A峰持续很短时间（约3 ns）后，曲线开始缓慢的下降。图像表明，单光子探测器在死时间结束后的3 ns时间内会释放出大量的后脉冲。在t 1200 ns后，自关联函数曲线已基本接近暗计数曲线（图二b），后脉冲出现的概率已经远小于SPCM的暗计数率，暗计数成为光子计数测量中的主要噪声。后脉冲主要存在于探测器死时间后几百纳秒的时间内。为了减小后脉冲对于光子测量的影响，必须选择尽可能窄的同步门控信号。自关联函数曲线在t = 1340 ns的地方出现了曲线的最高峰（B峰），这对应于脉冲激光器发出下一个光脉冲的时间。插图为B峰放大后的形状。从插图中可以看出，B峰的半高宽度为3 ns，

12、远远大于激光脉冲的宽度，因此它是由单光子探测器的时间抖动（Timing jitter）引起的。在分子荧光寿命测量中，荧光寿命大多为纳秒量级，这种大的时间抖动必然严重影响到荧光寿命测量。B峰在10-4最大值处的宽度为20 ns，这个参数可以用于设置最佳同步门控信号宽度。在t 1400ns的地方，仍然会测量到后脉冲或暗计数事件，这是由于脉冲光的平均光子数远小于1，后脉冲或暗计数仍然有可能触发TAC的停止事件。依据B峰的面积以及入射到探测器的平均光子数，可以对自关联函数曲线进行归一化处理，得到的概率曲线即为单个雪崩脉冲引起后脉冲的概率，结果如图三所示图三后脉冲概率曲线及拟合曲线Fig. 3Proba

13、bility curve of afterpulse and corresponding fitting curve图三中使用“+”标记的为经过归一化处理后的实验数据，实线是利用公式（5）拟合得到的结果。实验数据可以很好的通过理论公式拟合。除去暗计数对于后脉冲概率的影响，总的后脉冲概率为4，与SPCM技术手册中提供的参数基本一致。两个主要俘获能级的能级寿命分别为503 ns和33 ns。实验中对于不同强度的脉冲光引起的后脉冲概率进行了比较，在SPCM允许的光强范围内概率无明显变化。综上所述，使用开始-停止技术测量脉冲激光的自关联函数曲线，可以用于分析单光子探测器产生后脉冲的概率。开始-停止技术

14、和暗计数都会引起测量结果的畸变。文中对于测量结果的畸变进行了理论分析，给出了修正公式。针对型号为SPCM-AQR-15的单光子探测器进行测量，结果表明，后脉冲的概率主要受到两个俘获能级的影响，其能级寿命分别为503 ns和33 ns。实验数据可以很好的用理论公式拟合。探测器死时间内没有后脉冲产生。死时间结束后的3 ns时间内，产生后脉冲的概率很大。后脉冲的概率随着时间的推移而逐渐减小，后脉冲主要存在于死时间后几百纳秒的时间内。选择合适的采样门宽度可以有效减小后脉冲对于光子计数测量的影响。探测器的时间抖动对于荧光寿命测量影响很大。参考文献：1. R.G.W.Brown,R.Jones,et al

15、. Characterization of Silicon Avalanche Photodiodes for Photon Correlation Measurements. 2: Active Quenching.1987.Applied Optics.26(12).23832. 陈成杰，徐正卜.光电倍增管M.北京：原子能出版社.19873. S.Cova, M.Ghioni, A.Lacaita, C.Samori,and F.Zappa. Avalanche Photodiodes and Quenching Circuits for Single-photon Detection.1

16、996. APPL.OPT. 35.1956.4. Charles H. Bennett, Quantum cryptography using any two nonorthogonal states, Phys. Rev. Lett., Vol. 68, No. 21, 31213124 (1992)5. Cheng-Zhi Peng, Tao Yang, Xiao-Hui Bao, Jun Zhang, Xian-Min Jin, Fa-Yong Feng, Bin Yang, Jian Yang, Juan Yin, Qiang Zhang, Nan Li, Bao-Li Tian,

17、and Jian-Wei Pan, Experimental free-space distribution of entangled photon pairs over 13 km: towards satellite-based global quantum communication, Phys. Rev. Lett., Vol. 94, No. 15, 150541 (2005)6. Robert G.w.Brown,et.al. Characterization of Silicon Avalanche Photodiodes for Photon Correlation Measu

18、rements.1:Passivequenching.1986.APPL. PT.25.41227.宋登元，王小平. APD、PMT及其混合型高灵敏度光电探测器J.半导体技术. 2000.25（3）.5.8. 梁创，廖静等. 硅雪崩光电二极管单光子探测器J. 光子学报.2000.29（12）.11429. E. Gomez, F. Baumer, A. D. Lange, G. D. Sprouse and L. A. Orozco, Phys. Rev. A, 72, 012502 (2005)10. Sergio Cova, A. Lacaita and G. Ripamonti, Tra

19、pping phenomena in avalanche photodiodes on nanosecond scale, IEEE Electron Device Letters, Vol. 12, No. 12, 685687 (1991)11. A. Spinelli, L. M. Davis and H. Dautet, Active quenched single-photon avalanche diode for high repetition rate time-gated photon counting, Rev. Sci. Instrum., 67(1), 5561 (19

20、96)12. J. S. Allen, Phys. Rev. 55, 966 (1939)13. Beveratos A, Brouri R, Gacoin T, Poizat J-P, and Grangier P 2001 Phys. Rev. A 64 061802.14. Allaume R, Treussart F, Courty J M and Roch J F 2004 Ne注：不够可加页。 本科毕业论文（设计）开题报告主要研究内容：1.分析后脉冲的来源2. 分析实验测量后脉冲的方法,结果(即使用开始-停止技术测量脉冲光的自相关函数曲线，从中得到了单光子探测器的后脉冲概率及时域分

21、布曲线，并对测量引起的畸变提出了修正公式.) 提出改进的地方.3.对于如何减少后脉冲的影响进行讨论.创新之处：使用开始-停止技术测量脉冲激光的自关联函数曲线，可以用于分析单光子探测器产生后脉冲的概率。 本科毕业论文（设计）开题报告研究路线、方法、措施及实践方案或实验设计：1.查阅文献，了解单光子探测器后脉冲概率测量概念。（3-4周）2.熟悉使用开始-停止技术测量脉冲光的自相关函数曲线，从中得到了单光子探测器的后脉冲概率及时域分布曲线的方法,提出改进之处（4-10周）并对于如何减少后脉冲的影响进行讨论.3.撰写论文并参与答辩。（2-4周）指导教师意见： 签字： 年 月 日学院意见： 签字： 年 月 日