实验名称， 单光子计数器的搭建与检验 实验者， 唐浩翔 徐梵清

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1 实验名称， 单光子计数器的搭建与检验 实验者， 唐浩翔 14307110053 徐梵清 14307110067
一些必要的信息 实验名称， 单光子计数器的搭建与检验 实验者， 唐浩翔 徐梵清 单光子计数器

2 实验目的 实验原理 实验装置与电路 实验过程与结果 结论与讨论
将围绕以下内容介绍实验 实验目的 实验原理 实验装置与电路 实验过程与结果 结论与讨论 单光子计数器

3 利用雪崩二极管特性搭建单光子探测电路 进行弱光测量，弱光功率为μW~mW（光源为发 光Led），检验单光子计数器性能
实验目的 利用雪崩二极管特性搭建单光子探测电路 进行弱光测量，弱光功率为μW~mW（光源为发 光Led），检验单光子计数器性能 单光子计数器

4 实验原理 雪崩击穿 单电子雪崩二极管（SPAD） p-n junction Avalanche breakdown 反向击穿电压UB
Single-photon avalanche diodes 工作电压UA > UB ，雪崩击穿的寸前 单个载流子即可激发雪崩电流 纳秒内产生mA可测电流 此时的电压很高，单电子入射激发初始的载流子造成雪崩击穿，在短时间内（纳秒）产生mA规模可测电流，使得光信号转变为电信号。而雪崩击穿电流的信号可以表征光子入射的时刻。 单光子计数器

5 实验原理 被动淬灭电路（PQC’s） 雪崩→淬灭→恢复 Passive-Quenching Circuits 能接受雪崩脉冲并释放可探测信号
→降低偏压低于击穿电压结束雪崩 →恢复偏压至即将雪崩状态 雪崩→淬灭→恢复 闭合开关，led等效电容放电 电流降低停止雪崩→断开开关 断开后开始重新充电 探测完一个光子，雪崩击穿状态下的二极管需要恢复之前的状态才可以接受新的光子，最简单的是采用被动淬灭电路。 这是一个简化的电路图，框中是简化的led。

6 雪崩 降低至近于平衡电流 由于雪崩是统计过程，此时难以再 激发雪崩过程，于是雪崩停止 a为典型电流信号
定量淬灭过程 雪崩 降低至近于平衡电流 由于雪崩是统计过程，此时难以再 激发雪崩过程，于是雪崩停止 a为典型电流信号 Cs是led的分布电容，和RL靠近有关，在低频下可以无视。有影响

7 定量恢复过程 雪崩结束→断开开关，Cd 重新 充电，时间常数 电压指数恢复，经过~5Tr 恢复 恢复过程中接受的光子，很难
激发新的雪崩过程，若有，则产生 小峰 死时间Tr + Tq 死时间一般被认为是不能计数的，当小峰小于脉冲分析仪的阈值时，也无法计入。那么这样的损失也要考虑进去。

8 实验装置与电路 此时Rs为current mode output，即和之前的Id一样的波形，那么Cs要和Cd可比拟，或Cs更大。
1.探测效率：光子必须打中pn结的耗尽层，然后激发载流子，才可以激发雪崩。有一定几率不会激发，所以 产生空穴-电子对的光子数/入射数=效率 2.时间分辨率 3.暗计数：二次激发、后激发afterPluse 4.温度效应 单光子计数器

9 实验装置与电路 外加光源电路

10 典型波形、信号（暗计数） 暗计数 热激发载流子 二次脉冲（后脉冲） 单光子计数器

11 三种LED的反向曲线 • 固定步长的反向过程 ——明显看到击穿！ 白发红 击穿电压在22.3V 白发绿 击穿电压在59V
单光子计数器 黄发黄 击穿电压在76.6V

12 影响计数的因素 • 电阻的影响 同一个LED与UB 减小RL可以使计数增大 35.7kΩ 180~250Hz 66.3kΩ 120~180Hz 99.0kΩ 80~110Hz ←没有量级上的变化 单光子计数器

13 影响计数的因素 • Trigger 有效计数（探测效率） v.s. 暗计数 • UA-UB的大小 问题：同时增大了暗计数？
• S.Cova, APPLIED OPTICS, Vol. 35, No. 12, (1996) 单光子计数器

14 影响计数的因素 • 示波器的计数准不准？ 峰值只有7mV——不能用多道分析器 • 出现多个峰？ UB-UA的增大 单光子计数器

15 LED对光的响应 • 猜想：计数与发光功率的线性关系 用示波器粗略计数 • 高计数下的近似线性→用高UB的雪崩二极管 单光子计数器

16 雪崩二极管的特性 • 雪崩电压~90V 用示波器粗略计数 • 雪崩二极管的偏压与暗计数关系 单光子计数器

17 雪崩二极管对光的响应 • 调节LED发光电路输出电压 换用计数器计数 测量计算LED功率 • 低功率下的近似线性 • 非线性的可能原因——光强与输入功率的非线 性 单光子计数器

18 实验结论与讨论 • 实现了光子探测的淬灭过程 • 测量了不同LED的伏安反向曲线 • 不同参数对计数率的影响 • 雪崩二极管计数与光源功率的关系 →选用合适的雪崩二极管、合适的参数可以实现单 光子计数 单光子计数器

19 有待改善和面临的问题 • 需要考虑光源光强与功率的关系 →验证光强与计数率的线性关系（必要条件） • 统计规律上的问题 →如何更精确地计数（死时间补偿、暗计数） • 非线性问题 →定标（已知功率 -光强关系） 单光子计数器

20 谢谢！