本發(fā)明屬于微弱光探測(cè)方法技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種采用波形積分的光子數(shù)分辨方法。

背景技術(shù)：
現(xiàn)有的脈沖光子數(shù)的測(cè)量方法主要有三類：第一類方法是使用電荷數(shù)字轉(zhuǎn)換器(即QDC，ChargetoDigitalConverter)，將具有單光子響應(yīng)能力的探測(cè)器輸出的信號(hào)電荷量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析；第二類方法是利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器(即ADC，AnalogtoDigitalConverter)或多道分析器(即MCA，Multi-ChannelAnalyzer)或數(shù)字示波器對(duì)具有單光子響應(yīng)能力的探測(cè)器的輸出信號(hào)進(jìn)行幅度統(tǒng)計(jì)分析；第三類方法如發(fā)明專利所述(該發(fā)明的申請(qǐng)?zhí)枮椋?01210098265.0，申請(qǐng)日為：2012-04-06，公開(kāi)號(hào)為：102607721A)通過(guò)測(cè)量探測(cè)器對(duì)不同入射光子數(shù)的響應(yīng)時(shí)間來(lái)得知入射光場(chǎng)中的光子數(shù)目。利用第一類方法能夠獲得較好峰谷比的光子數(shù)分辨譜(PaoloFinocchiaro,AlfioPappalardo,LuigiCosentino,etal.,CharacterizationofaNovel100-ChannelSiliconPhotomultiplier—PartII:ChargeandTime,IEEETRANSACTIONSONELECTRONDEVICES,VOL.55，NO.10，OCTOBER，(2008)pp.2765-2773)，但是系統(tǒng)較為復(fù)雜，高速Q(mào)DC及門(mén)產(chǎn)生器等儀器造價(jià)昂貴，且屬于專用測(cè)量裝置，通用性不強(qiáng)。在第二類方法中，利用ADC或MCA測(cè)量的光子數(shù)分辨譜受電子學(xué)噪聲的影響嚴(yán)重，導(dǎo)致光子數(shù)分辨能力較差，且同樣存在系統(tǒng)通用性不強(qiáng)的問(wèn)題(M.Grodzicka,M.Moszy′nski,T.Szcz，etal.，EnergyresolutionofsmallscintillationdetectorswithSiPMlightreadout，JINST,VOL.8,P02017，(2013)1-17)。利用數(shù)字示波器進(jìn)行探測(cè)器信號(hào)的脈沖幅度統(tǒng)計(jì)方法則較為簡(jiǎn)單，光子數(shù)分辨譜的獲取速度較快，然而依然容易受到電子學(xué)噪聲的影響，使得光子數(shù)分辨譜的峰谷比不好(J.M.Yebras，P.Antoranz，J.M.Miranda，J.Europ.Opt.Soc.Rap.Public.，VOL.7,(2012)，12014，1-8)。第三類方法需要用到數(shù)據(jù)擬合的方法進(jìn)行離線分析，因而光子數(shù)分辨速度較慢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于提供一種基于波形積分的光子數(shù)分辨方法，解決了現(xiàn)有的光子數(shù)分辨方法中存在光子數(shù)分辨能力不強(qiáng)、造價(jià)昂貴及光子數(shù)分辨速度慢的問(wèn)題。本發(fā)明的另一目的在于提供上述光子數(shù)分辨方法中采用到的光子數(shù)分辨系統(tǒng)。本發(fā)明所采用的第一種技術(shù)方案是，采用波形積分的光子數(shù)分辨方法，具體按照以下步驟實(shí)施：步驟1、光子照射到多像素光子計(jì)數(shù)器后，多像素光子計(jì)數(shù)器輸出雪崩信號(hào)，輸出的雪崩信號(hào)通過(guò)同軸電纜輸入至數(shù)字示波器內(nèi)的模擬通道，由數(shù)字示波器顯示出信號(hào)波形；步驟2、經(jīng)步驟，數(shù)字示波器將顯示的信號(hào)波形對(duì)應(yīng)的波形電壓值的傳送至計(jì)算機(jī)內(nèi)，計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝的虛擬儀器軟件LabVIEW將送入的波形電壓值對(duì)時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)積分，計(jì)算波形積分值A(chǔ)，再計(jì)算出輸出電荷量Q，具體按照以下步驟實(shí)施：步驟2.1、經(jīng)步驟1，數(shù)字示波器將顯示的信號(hào)波形對(duì)應(yīng)的波形電壓值的傳送至計(jì)算機(jī)內(nèi)；步驟2.2、計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝的虛擬儀器軟件，將經(jīng)步驟2.1送入計(jì)算機(jī)內(nèi)波形電壓值對(duì)時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)積分，計(jì)算波形積分值A(chǔ)，該波形積分值A(chǔ)實(shí)際上是時(shí)域上的離散電壓值的積分，波形積分值A(chǔ)的算法具體如下：式中，A是電壓波形的積分值，即波形面積值，V(ti)是在時(shí)間點(diǎn)ti測(cè)量的電脈沖波形信號(hào)的電壓值，Δt是采樣時(shí)間間隔，Ta、Tb分別是采樣時(shí)間的起始時(shí)刻和終止時(shí)刻；步驟2.3、根據(jù)步驟2.2計(jì)算得到的波形積分值A(chǔ)，按照如下算法計(jì)算出輸出電荷量Q：式(2)中，Rs是負(fù)載電阻值，I(t)和V(t)分別為雪崩信號(hào)波形的電流(I)或電壓(V)隨時(shí)間t變化的函數(shù)；步驟2.4、多次重復(fù)步驟2.1和步驟2.2，獲得多個(gè)輸出電荷量Q的值，最終得到輸出電荷量Q的序列；步驟3、將經(jīng)步驟2獲得的輸出電荷量Q的序列進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)分析，繪制出統(tǒng)計(jì)直方圖；步驟4、觀察經(jīng)步驟3得到的直方圖，即可直接獲得探測(cè)到的最可幾光子數(shù)或平均光子數(shù)信息；步驟5、利用經(jīng)步驟4探測(cè)到的最可幾光子數(shù)或平均光子數(shù)除以多像素光子計(jì)數(shù)器的光子探測(cè)效率，即可得到入射光場(chǎng)的最可幾光子數(shù)或平均光子數(shù)。本發(fā)明第一種技術(shù)方案的特點(diǎn)還在于：步驟3中統(tǒng)計(jì)直方圖的橫坐標(biāo)為輸出電荷量Q的值、波形積分值A(chǔ)或歸一化值，縱坐標(biāo)為事件數(shù)。歸一化的具體方法是，用輸出電荷量Q或波形積分值A(chǔ)的序列除以1倍幅度雪崩脈沖對(duì)應(yīng)的電荷量或波形積分值。本發(fā)所采用的第二種技術(shù)方案是，基于波形積分的光子數(shù)分辨方法中采用的光子分辨系統(tǒng)，包括有多像素光子計(jì)數(shù)器，多像素光子計(jì)數(shù)器通過(guò)導(dǎo)線與穩(wěn)壓電源連接，多像素光子計(jì)數(shù)器的入射窗口處連接有光纖耦合器，光纖耦合器通過(guò)光纖與脈沖激光器的激光輸出端連接，多像素光子計(jì)數(shù)器的信號(hào)輸出端通過(guò)同軸電纜與數(shù)字示波器內(nèi)的模擬通道連接，數(shù)字示波器內(nèi)的觸發(fā)通道通過(guò)同步信號(hào)與脈沖激光器的輸入端信號(hào)連接，數(shù)字示波器通過(guò)USB數(shù)據(jù)傳輸線與計(jì)算機(jī)連接。本發(fā)明第二種技術(shù)方案的特點(diǎn)還在于：多像素光子計(jì)數(shù)器采用MPPCC11209-10型單光子探測(cè)器。穩(wěn)壓電源采用IT6235型精密穩(wěn)壓電源。數(shù)字示波器采用DPO4102B-L型數(shù)字示波器。脈沖激光器采用PDL-800D型皮秒脈沖激光器。光纖耦合器采用FC型法蘭盤(pán)。光纖采用內(nèi)徑為9微米，外直徑為125微米FC接口單模光纖。本發(fā)明的有益效果是：(1)本發(fā)明采用波形積分的光子數(shù)分辨方法，緩解了現(xiàn)有的光子數(shù)分辨方法中存在光子數(shù)分辨能力不強(qiáng)、造價(jià)昂貴及光子數(shù)分辨速度慢的問(wèn)題。(2)本發(fā)明采用波形積分的光子數(shù)分辨方法，提高了光子數(shù)分辨能力，只需使用實(shí)驗(yàn)室通用的測(cè)試儀器進(jìn)行測(cè)量，降低了測(cè)量成本，同時(shí)提高了光子數(shù)分辨的速度。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明的光子數(shù)分辨方法中采用的光子分辨系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的光子數(shù)分辨方法的流程圖；圖3是現(xiàn)有第二類方法中的利用數(shù)字示波器幅度統(tǒng)計(jì)分析得到的光子數(shù)分辨譜圖；圖4是本發(fā)明的光子數(shù)分辨方法中利用數(shù)字示波器波形積分直方圖統(tǒng)計(jì)分析的光子數(shù)分辨譜圖。圖中，1.多像素光子計(jì)數(shù)器，2.穩(wěn)壓電源，3.數(shù)字示波器，4.脈沖激光器，5.計(jì)算機(jī)，6.光纖耦合器，7光纖。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本發(fā)明基于波形積分的光子數(shù)分辨方法中采用的分辨系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1，包括有多像素光子計(jì)數(shù)器1，多像素光子計(jì)數(shù)器1通過(guò)導(dǎo)線與穩(wěn)壓電源2連接，多像素光子計(jì)數(shù)器1的入射窗口處連接有光纖耦合器6，光纖耦合器6通過(guò)光纖7與脈沖激光器4的激光輸出端連接，多像素光子計(jì)數(shù)器1的信號(hào)輸出端通過(guò)同軸電纜與數(shù)字示波器3內(nèi)的模擬通道連接，數(shù)字示波器3內(nèi)的觸發(fā)通道通過(guò)同步信號(hào)與脈沖激光器4的輸入端信號(hào)連接，數(shù)字示波器3通過(guò)USB數(shù)據(jù)傳輸線與計(jì)算機(jī)5連接。多像素光子計(jì)數(shù)器1采用MPPCC11209-10型單光子探測(cè)器(日本濱松公司生產(chǎn))。穩(wěn)壓電源2采用IT6235型精密穩(wěn)壓電源(臺(tái)灣艾德克斯公司生產(chǎn))。數(shù)字示波器3采用DPO4102B-L型數(shù)字示波器(1GHzbandwidth，5GSa/s，Tektronix公司生產(chǎn))。脈沖激光器4采用PDL-800D型皮秒脈沖激光器(德國(guó)PicoQuant公司生產(chǎn)，波長(zhǎng)670nm，時(shí)間半高寬44ps)。光纖耦合器6采用FC型法蘭盤(pán)。光纖7采用內(nèi)徑為9微米，外直徑為125微米FC接口單模光纖。本發(fā)明采用波形積分的光子數(shù)分辨方法，具體按照以下步驟實(shí)施：步驟1、光子照射到多像素光子計(jì)數(shù)器1后，多像素光子計(jì)數(shù)器1輸出雪崩信號(hào)，輸出的雪崩信號(hào)通過(guò)同軸電纜輸入至數(shù)字示波器3內(nèi)的模擬通道，由數(shù)字示波器3顯示出信號(hào)波形；步驟2、經(jīng)步驟1，數(shù)字示波器3將顯示的信號(hào)波形對(duì)應(yīng)的波形電壓值的傳送至計(jì)算機(jī)5內(nèi)，計(jì)算機(jī)5內(nèi)安裝的虛擬儀器軟件(LabVIEW)將送入的波形電壓值對(duì)時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)積分，計(jì)算波形積分值A(chǔ)，再計(jì)算出輸出電荷量Q，具體按照以下步驟實(shí)施：步驟2.1、經(jīng)步驟1，數(shù)字示波器3將顯示的信號(hào)波形對(duì)應(yīng)的波形電壓值的傳送至計(jì)算機(jī)5內(nèi)；步驟2.2、計(jì)算機(jī)5內(nèi)安裝的虛擬儀器軟件，將經(jīng)步驟2.1送入計(jì)算機(jī)5內(nèi)波形電壓值對(duì)時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)積分，計(jì)算波形積分值A(chǔ)，該波形積分值A(chǔ)實(shí)際上是時(shí)域上的離散電壓值的積分，波形積分值A(chǔ)的算法具體如下：式(1)中，A是電壓波形的積分值，即波形面積值，V(ti)是在時(shí)間點(diǎn)ti測(cè)量的電脈沖波形信號(hào)的電壓值，Δt是采樣時(shí)間間隔，Ta、Tb分別是采樣時(shí)間的起始時(shí)刻和終止時(shí)刻；步驟2.3、根據(jù)步驟2.2計(jì)算得到的波形積分值A(chǔ)，按照如下算法計(jì)算出輸出電荷量Q：式(2)中，Rs是負(fù)載電阻值，I(t)和V(t)分別為雪崩信號(hào)波形的電流(I)或電壓(V)隨時(shí)間t變化的函數(shù)；步驟2.4、多次重復(fù)步驟2.1和步驟2.2，獲得多個(gè)輸出電荷量Q的值，最終得到輸出電荷量Q的序列；步驟3、將經(jīng)步驟2獲得的輸出電荷量Q的序列進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)分析，繪制出統(tǒng)計(jì)直方圖；由于Rs在確定的系統(tǒng)中是不變的，所以輸出電荷量Q與波形積分值A(chǔ)成正比，為了簡(jiǎn)便，可直接對(duì)波形積分值A(chǔ)直方圖統(tǒng)計(jì)；因此，統(tǒng)計(jì)直方圖的橫坐標(biāo)既可以是輸出電荷量Q的值也可以是波形積分值A(chǔ)，還可以是歸一化值，縱坐標(biāo)為事件數(shù)；歸一化的具體方法是，用輸出電荷量Q或波形積分值A(chǔ)的序列除以1倍幅度雪崩脈沖對(duì)應(yīng)的電荷量或波形積分值。步驟4、觀察經(jīng)步驟3得到的直方圖，即可直接獲得探測(cè)到的最可幾光子數(shù)或平均光子數(shù)信息；步驟5、利用經(jīng)步驟4探測(cè)到的最可幾光子數(shù)或平均光子數(shù)除以多像素光子計(jì)數(shù)器1的光子探測(cè)效率，即可得到入射光場(chǎng)的最可幾光子數(shù)或平均光子數(shù)。本發(fā)明基于波形積分的光子數(shù)分辨方法，其原理如下：在光強(qiáng)不太強(qiáng)的情況下，多像素光子計(jì)數(shù)器1輸出信號(hào)的電荷量與入射的光子數(shù)成正比(RobertH.Hadfield,single-photondetectorsforopticalquantuminformationapplications,NaturePhotonics,VOL3,(2009)696-705.)，所以通過(guò)測(cè)量輸出信號(hào)的電荷量即可得知入射光子數(shù)。當(dāng)光子照射到多像素光子計(jì)數(shù)器1時(shí)，多像素光子計(jì)數(shù)器1將輸出具有一定時(shí)間寬度的電脈沖信號(hào)，該電脈沖信號(hào)可用一個(gè)電流(I)或電壓(V)隨時(shí)間t變化的函數(shù)I(t)或V(t)表示，將I(t)或V(t)對(duì)時(shí)間積分后，即得到電脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸出電荷量Q，如上述式(2)所示?？梢钥闯觯涸赗s不變的情況下，電脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的輸出電荷量Q和波形積分值A(chǔ)成正比，因此只要測(cè)量波形積分值A(chǔ)，除以一個(gè)光子對(duì)應(yīng)的波形積分值，再除以探測(cè)器的光子探測(cè)效率，便可得到出入射光子數(shù)。為了提高光子數(shù)信息的置信度，通常對(duì)一系列波形積分值A(chǔ)(即波形面積值)或?qū)?yīng)的輸出電荷量Q進(jìn)行直方圖統(tǒng)計(jì)，從而獲得光子數(shù)分辨譜。利用本發(fā)明基于波形積分的光子數(shù)分辨方法獲得入射光子數(shù)信息的有益效果如下：(1)對(duì)一段短時(shí)間內(nèi)的波形進(jìn)行積分，抵消了電子學(xué)噪聲的影響，從而提高了光子數(shù)分辨能力；(2)只需用實(shí)驗(yàn)室通用的數(shù)字示波器3即可進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量，無(wú)需購(gòu)買(mǎi)專用的實(shí)驗(yàn)儀器，從而節(jié)省了資金；(3)可以實(shí)時(shí)獲取波形積分值，無(wú)需離線進(jìn)行數(shù)據(jù)的擬合分析，從而在短時(shí)間內(nèi)獲得入射光子數(shù)信息。本發(fā)明基于波形積分的光子數(shù)分辨方法中采用的分辨系統(tǒng)中各部件的相互作用如下：脈沖激光器4的激光輸出端通過(guò)光纖7、光纖耦合器6連接到多像素光子計(jì)數(shù)器模塊1的入射窗口，同時(shí)多像素光子計(jì)數(shù)器模塊1將同步信號(hào)通入到數(shù)字示波器3的觸發(fā)通道作為同步觸發(fā)信號(hào)；多像素光子計(jì)數(shù)器模塊1通過(guò)穩(wěn)壓電源2加偏壓，多像素光子計(jì)數(shù)器模塊1的信號(hào)輸出端通過(guò)同軸電纜連接到數(shù)字示波器3的模擬通道，用以對(duì)信號(hào)進(jìn)行記錄；數(shù)字示波器3通過(guò)USB數(shù)據(jù)傳輸線實(shí)時(shí)傳輸波形數(shù)據(jù)到計(jì)算機(jī)5上，利用虛擬儀器軟件(LabVIEW)根據(jù)式(2)編程進(jìn)行實(shí)時(shí)積分，同時(shí)進(jìn)行積分值的直方圖統(tǒng)計(jì)，從而獲得光子數(shù)分辨譜。圖4為利用本發(fā)明基于波形積分的光子數(shù)分辨方法，結(jié)合分子分辨系統(tǒng)獲得的波形積分光子數(shù)分辨譜，查多像素光子計(jì)數(shù)器模塊1測(cè)試報(bào)告得知其在670nm處的光子探測(cè)效率為7％，則根據(jù)圖4可知，激光相對(duì)強(qiáng)度為18％時(shí)，入射光場(chǎng)的平均光子數(shù)為14/7％＝200個(gè)。圖3及圖4為證明本發(fā)明基于波形積分的光子數(shù)分辨方法的優(yōu)勢(shì)所做的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在圖3及圖4中，p.e.是等效光子數(shù)(photonnumberequivalent)的縮寫(xiě)。如圖3所示，為用現(xiàn)有的第二類方法中的示波器幅度統(tǒng)計(jì)分析獲得的光子數(shù)分辨譜；如圖4所示，為利用本發(fā)明基于波形積分的光子數(shù)分辨方法，即用數(shù)字示波器3波形積分統(tǒng)計(jì)獲得的光子數(shù)分辨譜；對(duì)比兩個(gè)圖可以明顯看出，用本發(fā)明基于波形積分的光子數(shù)分辨方法獲得的光子數(shù)分辨譜的峰谷比明顯較好，可以清晰分辨出47個(gè)光子等效峰，激光相對(duì)強(qiáng)度為18％時(shí)，探測(cè)到的平均光子數(shù)為14個(gè)，如圖4所示；而用現(xiàn)有的第二類方法獲得的光子數(shù)分辨譜只能分辨13個(gè)光子等效峰，如圖3所示。本發(fā)明基于波形積分的光子數(shù)分辨方法中，光子數(shù)分辨能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用示波器幅度統(tǒng)計(jì)分析的光子數(shù)分辨能力，本發(fā)明基于波形積分的光子數(shù)分辨方法能夠分辨的光子數(shù)為目前常溫下所報(bào)道的最大值。