单光子计数器光电转换与倍增器件的研制

概述了单光子计数器的研制原理，比较了各种光电子转换与倍增器件的性能，提出了用ＩＰＤ作为一级，ＭＳＰ作为二级，适用于单光子计数器的新型光电转换与倍增器件的研制思路．

单光子计数器冷却系统的设计

用单光子计数器探测绝缘聚合物的电致发光来测试聚合物老化击穿性能,比传统的计算空间电荷畸变方法准确度更高,因单光子计数器的总灵敏度受光电倍增管噪声及量子效率的影响,故采用半导体制冷与水冷双重冷却的方法研制了单光子计数器冷却系统.经实验证明,该系统大大降低了光电倍增管的噪声,提高了量子效率,从而提高了计数器的总灵敏度,为聚合物性能方面的新型绝缘材料的开发利用提供了更加准确可靠的方法.

ID-201单光子计数器计数模型研究

InGaAs半导体单光子探测器具备探测性能强,集成度高等优势,在光谱分析和量子通信等领域有广泛的应用.本文以ID Quantique公司出品的ID-201半导体单光子计数器为研究对象,结合计数器核心部件雪崩光电二极管的工作原理探究其计数光子时的内部过程,推导出每秒钟光子计数值和该计数器几个重要参数触发频率(trigger frequency),门脉冲宽度(gate width),门强制关闭时间(dead time),探测效率(detection efficiency)之间的数学表达式.推导过程着重分析了计数门脉冲的关闭效应对光子探测概率的影响.首先利用泊松分布求解光子计数值与探测效率(detection efficiency)之间的关系,然后将计数过程分成两大部分,分析计数结果与门强制关闭时间(dead time)之间关系.求解得表达式后,利用1550nm激光器作为ID-201的输入光源,在各种不同实验条件下,对该表达式的正确性进行了检验.

应用单光子计数器测量尼龙－11的热释光

本文给出了一种适用于热蜂光测量的单光子计数器，并用该计数器对奇数尼龙－１１薄膜进行了实际测量．结果表明，本计数器完全满足测量微光（光功率＜１０－１５Ｗ）要求．

CMOS技术制造单光子计数器

意大利的研究人员研制出了第一台超紧凑CMOS单光子计数器。该设备可用于自适应光学和基于微阵列的生物分析。将一个完整的光子计数系统集成于一个尺寸仅为2mm×1.1mm的芯片中，使该系统易于集成到任一种光机系统中。

单光子计数光谱仪探测系统的研究

为提高光谱仪的探测灵敏度,采用了单光子计数器作为光谱仪的探测元件,建立了单光子计数光谱仪的探测系统.在该系统中,主机通过通用串行总线控制连接在开发板串口上的单光子计数器并采集相应的探测结果.设计了通用串行总线开发板的固件程序和主机的应用程序.应用赛普拉斯公司的通用串行总线开发套件中的模板以及美国国家仪器公司的虚拟仪器软件的驱动程序向导,生成了相应的驱动程序和安装信息文件.安装运行了探测系统并测试了探测系统的基本性能.结果表明:每10ms暗记数值为0到10个,满足其性能指标范围;测量计数值与积分时间有很好的线性关系,误差在0.3%以内;测量获得了人体皮肤的光辐射计数值.

基于单光子探测器阵列的光谱测量系统

针对目前商用光谱仪无法在极微弱光测量环境下实现光谱探测的问题,提出一种基于单光子探测器阵列的光谱测量系统,利用单光子探测器在极微弱光环境下的探测能力,将虚像相位阵列(VIPA)和反射式衍射光栅构成的二维色散结构与单光子探测器阵列相结合,并通过实验测试得出系统的二维分光效果、相对光谱透射比曲线以及单光子探测性能。实验结果表明:该系统不仅灵敏度高,还实现了0.006 nm的波长分辨率;与目前普遍采用的基于时间相关单光子计数的光谱测量系统相比,该系统具有更优的波长分辨率和更大的测量带宽。

荧光相关光谱单分子检测系统的研究

基于激光共焦构型,构建了一套高灵敏度和高稳定性的荧光相关光谱单分子检测系统。采用高数值孔径物镜使激光束高度聚焦,并用同一物镜收集样品的荧光,单光子计数器用于实时记录荧光信号。优化系统保持物镜焦点、针孔以及单光子计数器光敏区高度同轴。采用60×1.2(NA)的水浸物镜及直径为160μm的针孔得到的检测系统结构参数为ω0和z0分别为0.42μm和1.33μm,照射微区的体积为1.3fL。单个RhodamineGreen分子可获得13倍的信噪比。用该系统获得了小分子和生物大分子(DNA片段和蛋白质)的高质量荧光相关图谱,成功实现了单个分子的检测。

高灵敏度化学发光免疫分析仪的设计与功能实现

利用单片机和复杂可编程逻辑器件组建控制核心,单光子计数器构成微光检测系统,丝杠和高精度步进电机组成托盘传动系统,C语言编写软件代码设计了一款化学发光免疫分析仪原型机。所采用的单光子计数器计数灵敏度达2.7×105s-1·pW-1。实际测试结果表明该仪器本底计数率<100RLU(相对发光单位)/s;量程为100～12×106RLU;光强测试值与化学发光反应所用底物的浓度之间的线性相关系数达0.9652;孔位之间一致性良好,CV<2.2%。与现有产品相比,该原型机在提高灵敏度,扩大量程的同时仍保持了良好的线性度,并具有传动系统定位精度高、成本低等优点。

单光子探测用于光子统计测量的研究

实验研究了通过记录每一个光子事件直接测量微弱脉冲激光(平均光子数n≈0.1,脉冲持续时间10ns)的Mandel参数.在基于Hanbury-Brown-Twiss探测结构,取样时间内每个单光子计数器最多探测到一个光子的情况下,测量发现低于阈值电流工作的二极管激光呈Super-Poisson统计分布.另外验证了工作于远高于阈值电流的二极管激光(强度噪声主要为散粒噪声)的Poisson分布相干态的Mandel参数QC约为-n/2.在测量误差内,实验结果与理论分析一致.

Solar-Blind滤光片可见光谱段光密度连续测量

为实现Solar-Blind(日盲紫外)滤光片光密度在可见光谱段的高精度连续测试,搭建了以氙灯配合单色仪作为光源、使用单光子计数器作为探测器的测试系统,并对该系统的误差进行分析。系统主要装置有氙灯与单色仪组合的光源,标准衰减装置和单光子计数器;以替代法为基础进行测试,将由单光子计数器探测到的衰减后的计数值作为参考计数值替代光源的初始计数值,通过运算得到滤光片的可见光谱段光密度;该测试系统将滤光片光密度的测试动态范围扩展到0^-11OD,实现了可见光谱段内进行连续光谱测量的功能,且降低了系统的测试误差。与使用窄带LED作为光源的测试系统相比,测试不确定度由2%降低至0.5%,相对重复性误差由0.2%降低至0.13%。