基于波形积分的光子数分辨方法及其采用的光子分辨系统技术方案

本发明专利技术公开的基于波形积分的光子数分辨方法，具体按照以下步骤实施：1)将多像素光子计数器输出的雪崩信号通过同轴电缆输入到数字示波器中；2)对数字示波器中显示的波形数据对时间进行积分；3)对一系列波形积分值进行直方图统计分析，画出统计直方图；4)观察直方图即可直接获得最可几光子数或平均光子数信息；5)利用得到的最可几光子数或平均光子数除以探测器的光子探测效率即为入射光场的最可几光子数或平均光子数。本发明专利技术还公开了上述光子数分辨方法中采用的光子数分辨系统。本发明专利技术基于波形积分的光子数分辨方法及采用的分辨系统大大提高了光子数分辨能力、降低了成本，提高了测量速度。

【技术实现步骤摘要】
基于波形积分的光子数分辨方法及其采用的光子分辨系统
本专利技术属于微弱光探测方法
，涉及一种采用波形积分的光子数分辨方法。
技术介绍
现有的脉冲光子数的测量方法主要有三类：第一类方法是使用电荷数字转换器(即QDC，ChargetoDigitalConverter)，将具有单光子响应能力的探测器输出的信号电荷量进行统计分析；第二类方法是利用模数转换器(即ADC，AnalogtoDigitalConverter)或多道分析器(即MCA，Multi-ChannelAnalyzer)或数字示波器对具有单光子响应能力的探测器的输出信号进行幅度统计分析；第三类方法如专利技术专利所述(该专利技术的申请号为：201210098265.0，申请日为：2012-04-06，公开号为：102607721A)通过测量探测器对不同入射光子数的响应时间来得知入射光场中的光子数目。利用第一类方法能够获得较好峰谷比的光子数分辨谱(PaoloFinocchiaro,AlfioPappalardo,LuigiCosentino,etal.,CharacterizationofaNovel100-ChannelSiliconPhotomultiplier—PartII:ChargeandTime,IEEETRANSACTIONSONELECTRONDEVICES,VOL.55，NO.10，OCTOBER，(2008)pp.2765-2773)，但是系统较为复杂，高速QDC及门产生器等仪器造价昂贵，且属于专用测量装置，通用性不强。在第二类方法中，利用ADC或MCA测量的光子数分辨谱受电子学噪声的影响严重，导致光子数分辨能力较差，且同样存在系统通用性不强的问题(M.Grodzicka,M.Moszy′nski,T.Szcz，etal.，EnergyresolutionofsmallscintillationdetectorswithSiPMlightreadout，JINST,VOL.8,P02017，(2013)1-17)。利用数字示波器进行探测器信号的脉冲幅度统计方法则较为简单，光子数分辨谱的获取速度较快，然而依然容易受到电子学噪声的影响，使得光子数分辨谱的峰谷比不好(J.M.Yebras，P.Antoranz，J.M.Miranda，J.Europ.Opt.Soc.Rap.Public.，VOL.7,(2012)，12014，1-8)。第三类方法需要用到数据拟合的方法进行离线分析，因而光子数分辨速度较慢。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于波形积分的光子数分辨方法，解决了现有的光子数分辨方法中存在光子数分辨能力不强、造价昂贵及光子数分辨速度慢的问题。本专利技术的另一目的在于提供上述光子数分辨方法中采用到的光子数分辨系统。本专利技术所采用的第一种技术方案是，采用波形积分的光子数分辨方法，具体按照以下步骤实施：步骤1、光子照射到多像素光子计数器后，多像素光子计数器输出雪崩信号，输出的雪崩信号通过同轴电缆输入至数字示波器内的模拟通道，由数字示波器显示出信号波形；步骤2、经步骤，数字示波器将显示的信号波形对应的波形电压值的传送至计算机内，计算机内安装的虚拟仪器软件LabVIEW将送入的波形电压值对时间进行实时积分，计算波形积分值A，再计算出输出电荷量Q，具体按照以下步骤实施：步骤2.1、经步骤1，数字示波器将显示的信号波形对应的波形电压值的传送至计算机内；步骤2.2、计算机内安装的虚拟仪器软件，将经步骤2.1送入计算机内波形电压值对时间进行实时积分，计算波形积分值A，该波形积分值A实际上是时域上的离散电压值的积分，波形积分值A的算法具体如下：式中，A是电压波形的积分值，即波形面积值，V(ti)是在时间点ti测量的电脉冲波形信号的电压值，Δt是采样时间间隔，Ta、Tb分别是采样时间的起始时刻和终止时刻；步骤2.3、根据步骤2.2计算得到的波形积分值A，按照如下算法计算出输出电荷量Q：式(2)中，Rs是负载电阻值，I(t)和V(t)分别为雪崩信号波形的电流(I)或电压(V)随时间t变化的函数；步骤2.4、多次重复步骤2.1和步骤2.2，获得多个输出电荷量Q的值，最终得到输出电荷量Q的序列；步骤3、将经步骤2获得的输出电荷量Q的序列进行直方图统计分析，绘制出统计直方图；步骤4、观察经步骤3得到的直方图，即可直接获得探测到的最可几光子数或平均光子数信息；步骤5、利用经步骤4探测到的最可几光子数或平均光子数除以多像素光子计数器的光子探测效率，即可得到入射光场的最可几光子数或平均光子数。本专利技术第一种技术方案的特点还在于：步骤3中统计直方图的横坐标为输出电荷量Q的值、波形积分值A或归一化值，纵坐标为事件数。归一化的具体方法是，用输出电荷量Q或波形积分值A的序列除以1倍幅度雪崩脉冲对应的电荷量或波形积分值。本发所采用的第二种技术方案是，基于波形积分的光子数分辨方法中采用的光子分辨系统，包括有多像素光子计数器，多像素光子计数器通过导线与稳压电源连接，多像素光子计数器的入射窗口处连接有光纤耦合器，光纤耦合器通过光纤与脉冲激光器的激光输出端连接，多像素光子计数器的信号输出端通过同轴电缆与数字示波器内的模拟通道连接，数字示波器内的触发通道通过同步信号与脉冲激光器的输入端信号连接，数字示波器通过USB数据传输线与计算机连接。本专利技术第二种技术方案的特点还在于：多像素光子计数器采用MPPCC11209-10型单光子探测器。稳压电源采用IT6235型精密稳压电源。数字示波器采用DPO4102B-L型数字示波器。脉冲激光器采用PDL-800D型皮秒脉冲激光器。光纤耦合器采用FC型法兰盘。光纤采用内径为9微米，外直径为125微米FC接口单模光纤。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术采用波形积分的光子数分辨方法，缓解了现有的光子数分辨方法中存在光子数分辨能力不强、造价昂贵及光子数分辨速度慢的问题。(2)本专利技术采用波形积分的光子数分辨方法，提高了光子数分辨能力，只需使用实验室通用的测试仪器进行测量，降低了测量成本，同时提高了光子数分辨的速度。附图说明图1是本专利技术的光子数分辨方法中采用的光子分辨系统的结构示意图；图2是本专利技术的光子数分辨方法的流程图；图3是现有第二类方法中的利用数字示波器幅度统计分析得到的光子数分辨谱图；图4是本专利技术的光子数分辨方法中利用数字示波器波形积分直方图统计分析的光子数分辨谱图。图中，1.多像素光子计数器，2.稳压电源，3.数字示波器，4.脉冲激光器，5.计算机，6.光纤耦合器，7光纤。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。本专利技术基于波形积分的光子数分辨方法中采用的分辨系统，其结构如图1，包括有多像素光子计数器1，多像素光子计数器1通过导线与稳压电源2连接，多像素光子计数器1的入射窗口处连接有光纤耦合器6，光纤耦合器6通过光纤7与脉冲激光器4的激光输出端连接，多像素光子计数器1的信号输出端通过同轴电缆与数字示波器3内的模拟通道连接，数字示波器3内的触发通道通过同步信号与脉冲激光器4的输入端信号连接，数字示波器3通过USB数据传输线与计算机5连接。多像素光子计数器1采用MPPCC11209-10型单光子探测器(日本滨松公司生产)。稳压电源2采本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于波形积分的光子数分辨方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、光子照射到多像素光子计数器(1)后，多像素光子计数器(1)输出雪崩信号，输出的雪崩信号通过同轴电缆输入至数字示波器(3)内的模拟通道，由数字示波器(3)显示出信号波形；步骤2、经步骤1，数字示波器(3)将显示的信号波形对应的波形电压值的传送至计算机(5)内，计算机(5)内安装的虚拟仪器软件LabVIEW将送入的波形电压值对时间进行实时积分，计算波形积分值A，再计算出输出电荷量Q，具体按照以下步骤实施：步骤2.1、经步骤(1)，数字示波器(3)将显示的信号波形对应的波形电压值的传送至计算机(5)内；步骤2.2、计算机(5)内安装的虚拟仪器软件，将经步骤2.1送入计算机(5)内波形电压值对时间进行实时积分，计算波形积分值A，该波形积分值A实际上是时域上的离散电压值的积分，波形积分值A的算法具体如下：A=ΣTaTbV(ti)·Δt---(1);]]>式(1)中，A是电压波形的积分值，即波形面积值，V(ti)是在时间点ti测量的电脉冲波形信号的电压值，Δt是采样时间间隔，Ta、Tb分别是采样时间的起始时刻和终止时刻；步骤2.3、根据步骤2.2计算得到的波形积分值A，按照如下算法计算出输出电荷量Q：Q=∫I(t)dt=∫V(t)dtRs=ARs---(2);]]>式(2)中，Rs是负载电阻值，I(t)和V(t)分别为雪崩信号波形的电流(I)或电压(V)随时间t变化的函数；步骤2.4、多次重复步骤2.1和步骤2.2，获得多个输出电荷量Q的值，最终得到输出电荷量Q的序列；步骤3、将经步骤2获得的输出电荷量Q的序列进行直方图统计分析，绘制出统计直方图；步骤4、观察经步骤3得到的直方图，即可直接获得探测到的最可几光子数或平均光子数信息；步骤5、利用经步骤4探测到的最可几光子数或平均光子数除以多像素光子计数器(1)的光子探测效率，即可得到入射光场的最可几光子数或平均光子数。...

【技术特征摘要】
1.基于波形积分的光子数分辨方法，该方法中涉及光子分辨系统，该系统包括有多像素光子计数器(1)，所述多像素光子计数器(1)通过导线与稳压电源(2)连接，多像素光子计数器(1)的入射窗口处连接有光纤耦合器(6)，所述光纤耦合器(6)通过光纤(7)与脉冲激光器(4)的激光输出端连接，所述多像素光子计数器(1)的信号输出端通过同轴电缆与数字示波器(3)内的模拟通道连接，数字示波器(3)内的触发通道通过同步信号与脉冲激光器(4)的输入端信号连接，所述数字示波器(3)通过USB数据传输线与计算机(5)连接；所述多像素光子计数器(1)采用MPPCC11209-10型单光子探测器；所述稳压电源(2)采用IT6235型精密稳压电源；所述数字示波器(3)采用DPO4102B-L型数字示波器；所述脉冲激光器(4)采用PDL-800D型皮秒脉冲激光器；所述光纤耦合器(6)采用FC型法兰盘；所述光纤(7)采用内径为9微米，外直径为125微米FC接口单模光纤；其特征在于，具体按照以下步骤实施：步骤1、光子照射到多像素光子计数器(1)后，多像素光子计数器(1)输出雪崩信号，输出的雪崩信号通过同轴电缆输入至数字示波器(3)内的模拟通道，由数字示波器(3)显示出信号波形；步骤2、经步骤1，数字示波器(3)将显示的信号波形对应的波形电压值的传送至计算机(5)内，计算机(5)内安装的虚拟仪器软件LabVIEW将送入的波形电压值对时间进行实时积分，计算波形积分值A，再计算出输出电荷量Q，具体按照以下步骤实施：步骤2.1、经步骤1，数字示波器(3)将显示的信号波形对应的波形电压值的传送至计算机(5)内；步骤2.2、计算机(5)内安装的虚拟仪器软件，将经步骤2.1送入计...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国青，刘丽娜，朱长军，
申请(专利权)人：西安工程大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61