本實(shí)用新型涉及的是光電探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是一種微能量脈沖激光光子數(shù)測量裝置。

背景技術(shù)：

傳統(tǒng)的光子計(jì)數(shù)技術(shù)一般采用光電倍增管作為探測器，通過分辨單個光子在探測器中激發(fā)出來的光電子脈沖，把光信號從熱噪聲中以數(shù)字化的方式提取出來。一般情況下，弱光信號在時間上較分散，因而由探測器輸出的是離散電信號。針對這一特點(diǎn)，采用脈沖放大、脈沖高度甄別和數(shù)字計(jì)數(shù)技術(shù)進(jìn)行單光子計(jì)數(shù)。累計(jì)輸出的脈沖計(jì)數(shù)即為探測到的光子數(shù)。對于離散弱光信號，傳統(tǒng)單光子計(jì)數(shù)方法較為可取。但對于短脈沖微光光子計(jì)數(shù)時，該方法失去實(shí)用價值。其原因主要存在于兩各方面：

1、甄別器死時間限制：當(dāng)輸入脈沖的幅度大于脈沖高度甄別器的甄別電平時，甄別器即輸出一個有一定幅度和形狀的標(biāo)準(zhǔn)脈沖，在它恢復(fù)原狀以前甄別器不能接受后續(xù)脈沖，這段時間稱為死時間，一般甄別器的死時間在10ns左右；因此，如果在甄別器死時間內(nèi)(數(shù)ns)有多個光子到達(dá)光電倍增管光陰極，將造成計(jì)數(shù)率損失。

2、倍增管輸出脈沖堆積效應(yīng)：光電倍增管輸出的脈沖有一定寬度t_ω(10ns左右)，稱為分辨時間。當(dāng)后續(xù)光電子脈沖與前一脈沖的時間間隔小于t_ω時，陽極回路只輸出一個脈沖，這種現(xiàn)象稱為脈沖堆積效應(yīng)。脈沖堆積發(fā)生時，系統(tǒng)無法分辨同時到達(dá)的多個脈沖信號，從而造成計(jì)數(shù)率損失。

基于以上兩方面原因，對于納秒(ns)級甚至飛秒(fs)級短脈沖激光的光子數(shù)測量，傳統(tǒng)的光子計(jì)數(shù)方法已不再適用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的，就是針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，而提供一種微能量脈沖激光光子數(shù)測量裝置，該方案采用由脈沖激光器、分光鏡、能量計(jì)、平面全反鏡、衰減器、屏蔽筒、光電倍增管和計(jì)算機(jī)組成的測量裝置進(jìn)行光子計(jì)數(shù)，克服了傳統(tǒng)光子計(jì)數(shù)技術(shù)中的甄別器死時間限制和倍增管輸出脈沖堆積效應(yīng)的不足，可以實(shí)現(xiàn)對納秒級微能量脈沖激光的光子數(shù)測量。在采集卡采樣率和計(jì)算機(jī)高速緩存允許的條件下，亦可擴(kuò)展到微秒級至毫秒級微能量脈沖激光光子數(shù)測量，且對連續(xù)極弱激光信號也能實(shí)現(xiàn)光子數(shù)測量。

本方案是通過如下技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)的：

一種微能量脈沖激光光子數(shù)測量裝置，包括有脈沖激光器、分光鏡、能量計(jì)、平面全反鏡、衰減器、屏蔽筒、光電倍增管和計(jì)算機(jī)；脈沖激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過分光鏡后分為透射光和反射光射出；透射光傳輸至能量計(jì)；能量計(jì)與計(jì)算機(jī)信號連通；反射光經(jīng)過平面全反鏡反射后依次穿過衰減器和屏蔽筒后進(jìn)入光電倍增管；光電倍增管與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)連通。

作為本方案的優(yōu)選：反射光與透射光從分光鏡處發(fā)射出去時光路間互不干涉。

作為本方案的優(yōu)選：反射光經(jīng)過平面全反鏡反射后的光路與透射光的光路間互不干涉。

作為本方案的優(yōu)選：分光鏡與平面反射鏡之間的光路中設(shè)置有小孔光闌。

作為本方案的優(yōu)選：脈沖激光器、分光鏡、能量計(jì)、平面全反鏡、衰減器、屏蔽筒、光電倍增管均設(shè)置在暗室中。

一種微能量脈沖激光光子數(shù)測量方法，包括有以下步驟：

a.脈沖激光器發(fā)射脈沖激光，脈沖激光經(jīng)平面采樣分光鏡分光，得到反射光和透射光，平面采樣分光鏡的反射率與透射率之比為η；

b.反射光經(jīng)小孔光闌、全反射鏡、衰減器和屏蔽筒后進(jìn)入光電倍增管，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，得到電壓信號，電壓信號由光電倍增管的光陰極輸出至計(jì)算機(jī)的采集卡，衰減器的透射率為T；

c.透射光輸送到能量計(jì)，能量計(jì)探測到透射光能量信號并輸送到計(jì)算機(jī)，能量計(jì)探測到的能量為E₀；

d.進(jìn)入光電倍增管的激光單脈沖能量E_i為：

E_i＝η·T·E₀ (1.1)

設(shè)單光子能量為ε_i，則入射光子數(shù)為：

e.設(shè)置光電倍增管的工作電壓；

f.設(shè)置計(jì)算機(jī)采集卡的采樣頻率，以2ns的時間間隔采集光電倍增管輸出的電壓信號；

g.計(jì)算機(jī)中的測量軟件讀出采集卡發(fā)送的光電倍增管輸出電壓值，與步驟d獲得的入射光子數(shù)相除，電壓信號與輸入光電倍增管的光子數(shù)之比，即光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換率，用k表示；設(shè)采樣幀數(shù)為N，光電倍增管輸出單幀電壓信號強(qiáng)度為I_i，由統(tǒng)計(jì)學(xué)分析可知，光電倍增管光電轉(zhuǎn)換率表示為：

h.獲得了光電倍增管的平均光電轉(zhuǎn)換率后，就可以在入射激光強(qiáng)度未知的情況下，計(jì)算到達(dá)光電倍增管的光子數(shù)，計(jì)算機(jī)中的測量軟件根據(jù)步驟g獲得的光電倍增管的平均光電轉(zhuǎn)換率與采集卡獲得的光電倍增管輸出的的電壓信號相乘，即可得到到達(dá)光電倍增管的待單測脈沖光子數(shù)；

為降低光電倍增管的隨機(jī)性響應(yīng)誤差，提高測量精度，在測量時對N幀采樣值做統(tǒng)計(jì)平均，可以得到待測單脈沖光子數(shù)：

i.對于不同波長脈沖激光，光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換率也不同，需要分別進(jìn)行測量。

作為本方案的優(yōu)選：步驟g中，脈沖激光器輸出幾種不同能量脈沖激光，計(jì)算機(jī)采用公式(1.3)對每種能量條件進(jìn)行200個脈沖測量，分別獲得了各能量條件下的光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換率，再取平均值，即可獲得平均光電轉(zhuǎn)換率。

作為本方案的優(yōu)選：步驟d中，當(dāng)激光器輸出激光波長為532nm時，單光子能量ε_i≈3.6×10^-19，當(dāng)激光器發(fā)射波長為其它波長時，單光子能量ε_i可根據(jù)普朗克常數(shù)和光子頻率進(jìn)行相應(yīng)的物理變換。

作為本方案的優(yōu)選：步驟h中，光電轉(zhuǎn)換率與待測微能量脈沖激光波長匹配。

本實(shí)用新型的微能量脈沖激光光子數(shù)測量方法克服了傳統(tǒng)光子計(jì)數(shù)技術(shù)中的甄別器死時間限制和倍增管輸出脈沖堆積效應(yīng)的不足，可以實(shí)現(xiàn)對納秒級微能量脈沖激光的光子數(shù)測量。在采集卡采樣率和計(jì)算機(jī)高速緩存允許的條件下，亦可擴(kuò)展到微秒級至毫秒級微能量脈沖激光光子數(shù)測量，且對連續(xù)極弱激光信號也能實(shí)現(xiàn)光子數(shù)測量。本實(shí)用新型可用于對特殊材料在脈沖激光照射下的散射截面特性研究；也可用于分子物理研究領(lǐng)域中染料受激發(fā)射光譜特性研究；軍事上，可用于對遠(yuǎn)距離弱信號目標(biāo)實(shí)施微光探測。

由此可見，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和進(jìn)步，其實(shí)施的有益效果也是顯而易見的。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本實(shí)用新型方法獲得的光電倍增管輸出的典型單幀脈沖電壓信號圖；

圖3是本實(shí)用新型方法獲得的統(tǒng)計(jì)200幀光子數(shù)分布圖；

圖4是本實(shí)用新型方法獲得的統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)與光子數(shù)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差關(guān)系圖。

圖中，1為暗室，2為脈沖激光器，3為分光鏡，4為能量計(jì)，5為計(jì)算機(jī)，6為平面全反鏡，7為衰減器，8為屏蔽筒，9為光電倍增管。

具體實(shí)施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說明書(包括任何附加權(quán)利要求、摘要和附圖)中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。

如圖所述，本方案包括有脈沖激光器、分光鏡、能量計(jì)、平面全反鏡、衰減器、屏蔽筒、光電倍增管和計(jì)算機(jī)；脈沖激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過分光鏡后分為透射光和反射光射出；透射光傳輸至能量計(jì)；能量計(jì)與計(jì)算機(jī)信號連通；反射光經(jīng)過平面全反鏡反射后依次穿過衰減器和屏蔽筒后進(jìn)入光電倍增管；光電倍增管與計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)連通。反射光與透射光從分光鏡處發(fā)射出去時光路間互不干涉。反射光經(jīng)過平面全反鏡反射后的光路與透射光的光路間互不干涉。分光鏡與平面反射鏡之間的光路中設(shè)置有小孔光闌。脈沖激光器、分光鏡、能量計(jì)、平面全反鏡、衰減器、屏蔽筒、光電倍增管均設(shè)置在暗室中。

本方案的測量方法為：

a.脈沖激光器發(fā)射脈沖激光，脈沖激光經(jīng)平面采樣分光鏡分光，得到反射光和透射光，平面采樣分光鏡的反射率與透射率之比為η；

b.反射光經(jīng)小孔光闌、全反射鏡、衰減器和屏蔽筒后進(jìn)入光電倍增管，經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后，得到電壓信號，電壓信號由光電倍增管的光陰極輸出至計(jì)算機(jī)的采集卡，衰減器的透射率為T；

c.透射光輸送到能量計(jì)，能量計(jì)探測到透射光能量信號并輸送到計(jì)算機(jī)，能量計(jì)探測到的能量為E₀；

d.進(jìn)入光電倍增管的激光單脈沖能量E_i為：

E_i＝η·T·E₀ (1.1)

設(shè)單光子能量為ε_i，則入射光子數(shù)為：

本實(shí)用新型中的具體實(shí)施方式中，激光器輸出激光波長為532nm，單光子能量ε_i≈3.6×10^-19，當(dāng)激光器發(fā)射波長為其它波長時，單光子能量ε_i可根據(jù)普朗克常數(shù)和光子頻率進(jìn)行相應(yīng)的物理變換；

e.設(shè)置光電倍增管工作電壓為800V直流電壓；

f.設(shè)置計(jì)算機(jī)采集卡采樣頻率為500MHz，以2ns的時間間隔采集光電倍增管輸出的電壓信號；

g.計(jì)算機(jī)中的測量軟件讀出采集卡發(fā)送的光電倍增管輸出電壓值，與步驟d獲得的入射光子數(shù)相除，得到800V工作電壓和500MHz采樣頻率條件下，電壓信號與輸入光電倍增管的光子數(shù)之比，即光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換率，用k表示；

光電倍增管光電轉(zhuǎn)換率：光電倍增管響應(yīng)單光子而產(chǎn)的生陽極輸出電壓強(qiáng)度，稱為光電倍增管光電轉(zhuǎn)換率，表現(xiàn)為光電倍增管陽極輸出信號強(qiáng)度積分值與輸入光子數(shù)總和之比，單位為mV/Photon。同一光電倍增管對不同波長激光的光電轉(zhuǎn)換率也不同。

由統(tǒng)計(jì)光學(xué)原理可知，光電倍增管各倍增極的倍增系數(shù)不是恒定值，大體上服從泊松分布的統(tǒng)計(jì)分布，因此，單個激光脈沖的測量結(jié)果并不能準(zhǔn)確反映光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換率。為提高測量精度，本實(shí)用新型方法取200幀采樣測量結(jié)果的平均值作為光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換率；

設(shè)采樣幀數(shù)為N(本實(shí)用新型中取N＝200，每幀對一個光脈沖進(jìn)行采樣)，光電倍增管輸出單幀電壓信號強(qiáng)度為I_i，由統(tǒng)計(jì)學(xué)分析可知，光電倍增管光電轉(zhuǎn)換率表示為：

脈沖激光器輸出幾種不同能量脈沖激光，計(jì)算機(jī)采用公式(1.3)對每種能量條件進(jìn)行200個脈沖測量，分別獲得了各能量條件下的光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換率，再取平均值，即可獲得平均光電轉(zhuǎn)換率。

h.獲得了光電倍增管的平均光電轉(zhuǎn)換率后，就可以在入射激光強(qiáng)度未知的情況下，計(jì)算到達(dá)光電倍增管的光子數(shù)，計(jì)算機(jī)中的測量軟件根據(jù)步驟g獲得的光電倍增管的平均光電轉(zhuǎn)換率與采集卡獲得的光電倍增管輸出的的電壓信號相乘，即可得到到達(dá)光電倍增管的待單測脈沖光子數(shù)。

為降低光電倍增管的隨機(jī)性響應(yīng)誤差，提高測量精度，在測量時對N幀采樣值做統(tǒng)計(jì)平均，可以得到待測單脈沖光子數(shù)：

i.對于不同波長脈沖激光，光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換率也不同，需要分別進(jìn)行測量。

步驟h中的光電轉(zhuǎn)換率需要與待測微能量脈沖激光波長一致。

本方案的實(shí)施例：

脈沖激光器1輸出的脈沖能量通?？刂圃?mJ以內(nèi)，衰減器的光學(xué)OD值在13以上，理論上可將進(jìn)入光電倍增管的單脈沖光子數(shù)衰減在1000個光子以內(nèi)。

在圖1中，測量方法采532nm固體脈沖激光器作為發(fā)射光源，脈寬13ns(半功率全寬)，能量穩(wěn)定度5％；探測器為北京濱松公司生產(chǎn)的CR131型側(cè)窗型光電倍增管，光陰極對532nm光量子效率約14％，響應(yīng)時間2.2ns。

測量過程中，利用計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)采集卡，對每個脈沖能量和光電倍增管同步輸出的信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并處理。

在開展對未知的待測微能量脈沖激光光子數(shù)測量前，需要對光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換率進(jìn)行測量。

調(diào)節(jié)光電倍增管工作電壓為800V，脈沖激光器輸出5種不同能量脈沖激光，計(jì)算機(jī)對每種能量條件進(jìn)行了200個脈沖測量，分別獲得了各能量條件下的光電倍增管的光電轉(zhuǎn)換率，再取平均值，獲得平均光電轉(zhuǎn)換率。根據(jù)測量軟件計(jì)算得到光電倍增管的平均光電轉(zhuǎn)換率為2.58mV/Photon，測量記錄見表1。

表1光電轉(zhuǎn)換率測量記錄

完成光電轉(zhuǎn)換率測量后，即可對待測微能量脈沖激光入射光子數(shù)進(jìn)行測量。

仍采用圖1所示布局，光電倍增管工作電壓800V，脈沖激光器輸出4種不同能量的脈沖激光，能量計(jì)測量的能量值輸送到計(jì)算機(jī)，僅作為驗(yàn)證測量方法準(zhǔn)確性的參考依據(jù)，不作為測量軟件的計(jì)算條件。對每種能量條件，光電倍增管接收衰減后的脈沖激光，輸出電壓信號到計(jì)算機(jī)采集卡，計(jì)算機(jī)對采集到200幀脈沖電壓信號取平均，再根據(jù)前面測量得到的平均光電轉(zhuǎn)換率，即可計(jì)算出當(dāng)前測量條件下待測微能量脈沖激光的脈沖光子數(shù)。圖2為光電倍增管輸出的典型單幀脈沖電壓信號圖，橫軸為采集時間，縱軸為信號強(qiáng)度，表示當(dāng)前能量條件下每脈沖激光激發(fā)光電倍增管輸出的電壓信號強(qiáng)度的大小。圖3為200個脈沖的統(tǒng)計(jì)光子數(shù)分布圖，其橫軸表示脈沖數(shù)，縱軸是根據(jù)平均光電轉(zhuǎn)換率和采集的信號強(qiáng)度計(jì)算得到的脈沖光子數(shù)。

表2所示為4次不同能量脈沖光子數(shù)測量結(jié)果。其中，“實(shí)際輸入光子數(shù)”為200個脈沖能量值換算成光子數(shù)所得到的平均值?！皽y量光子數(shù)”即本實(shí)用新型測量方法獲得的待測脈沖光子數(shù)。計(jì)算了各次實(shí)驗(yàn)誤差。表2中的測量的非線性誤差最大為8.7％。誤差主要來源于系統(tǒng)誤差。

表2工作電壓800V時脈沖微光光子數(shù)測量記錄

由統(tǒng)計(jì)光學(xué)原理可知，光電倍增管各倍增極的倍增系數(shù)不是固定值，大體上服從泊松分布。當(dāng)輸入光子數(shù)較少時，對單脈沖的測量精度較差，必須對多個脈沖數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到的數(shù)據(jù)才有意義。圖4是統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)與光子數(shù)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差關(guān)系圖，可見，對單脈沖測量的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差可達(dá)70％以上，隨統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)的增多，偏差減小，統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)為120時相對標(biāo)準(zhǔn)偏差約為1％?？梢?，本實(shí)驗(yàn)設(shè)置統(tǒng)計(jì)脈沖數(shù)為200所得到的測量結(jié)果是可靠的。

本實(shí)用新型并不局限于前述的具體實(shí)施方式。本實(shí)用新型擴(kuò)展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。