微弱信号讲座第六讲弱光的测量.pdf

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1、座量讲?”“?狈?勺号?日光信马一己习微弱第六讲陈询、中国科学院物理研究 所 光测量广泛用于各个领 域,例如光谱学、天文学、激光 光谱分析 以及光 纤 特性测量等?由于噪声的 影 响,弱光测量不 同于强光的 测量,因此必需采 用特殊的方法来降低噪声,改善信噪比,以提高测量精度?本文将通过对噪声的分析及改善 信噪 比方 法的介 绍来讨论弱 光测量中的问题?一、光检测系统光检测系统通常包括四个部分!如图所示,即检测 对象和应用目的#检测器,例如 测辐射热计、光电倍增管、视象管、固态摄象管、光二极管阵列、可门控的或 增强的各种器 件#信 号处理部分,包 括放大器、取样线路、模数转换器 等#信息处 理

2、部分,由最简单的一%一&监视器!示波器或一%记录仪 至复杂的光多道分析器?众所周知,最通 用的光检测器是 光 电倍增管!()?因此,除 在讨论光多道分析时,需考虑另外不同类型 的检测器外,我们仅讨论光电倍增管作为检测 器的各种检测方法?当然,这种讨论也适用于其他场合?检测()+的输出有许多方法,其中包括直流静电计法、交流锁相放大器法、冰冲取样积分器法以及光 子计数器 法等?刘象姗信信信信信信信信信信信信信位位息处理理侧册册册值号处理理理理图,光检测系统二、减小 噪 声不 论用哪一种检侧方法,首先要尽可能使环境干扰 减 至最小。在实验中,./0市电及其谐波的干扰很大,故必须使输人 电路与 电源线

3、间的藕合最 小?例如,若被测信号功率为,.一”1,一般电源线的功率为千瓦级,则信号线与 电源线之间的功率藕合系数必 须 小于,.一2,这是一个很小的数字?由此可见,必须认真处理干扰间题?干扰主要表现为3!接地系统不等电位#!2 任何线路都有残余面积,它使磁通 变化转换成线路电压#!4 任何静电屏蔽都有孔洞漏 电场#!5 任何同轴屏蔽线都有能量漏 进中心导 体#!任何电气设备,如 马,达、日光灯、变压器等都会向周 围散发出大量能量?所采取的防干扰措施有3!防止静电干扰3采用差分输人的前置放大器,连 至 阳极负载的信号电缆端接匹 配阻抗,()+及其阳极负载电阻,检测匹 配 电阻和信号端接头都要屏蔽

4、?有时可考虑将阳极负载电阻放在前放端,()+的高内阻等效于一个地回路?!2 防止 磁场干扰3因各种漏 磁通影 响地回路,穿过各地线 闭合环路的交流 磁通会在地线上感 生相当大的 电流?这个电流将在信号线的屏蔽线上产生压降,并叠加在信号上,送至放大器 的输人端?因 此要尽量避免地线环,使之缩 至最 小?!4 尽可能减少地线 系统中的感生 电 流3应该注意,在 实验 室中各馈电线的相线有时是供电变 压器的 不同相线或不 同供 电变压器的相#线,它们对地线可 以有很大的 电位差?因此,各种仪 器连成的系统地线间的电位差会很大,甚至有安培级的电流在内部接线中流过,产生很大 的内部干扰?!5 电动机及未

5、屏蔽的或过荷的变压器是很大的磁干扰 源,日光灯 也是很大 的静电干扰源,电动机电刷抖动产生很宽频带的噪声?因物理此,在一些实验 中应避免使用这些设备?!,防止./0的 干扰3可用窄带 滤波的办法去除,当然用锁相放大器是最好的办法?在文献【,中给出了各种消除干扰的方法,应参照 执行?检验一个系统是否实现了良好的防干扰措施,最实 用的方法是将接线、设备等前后左右动一动,如 果检测 仪器 的输出!幅值、计数 不 变,则证明坑干扰的措施没有问题 了?三、直流静电计测量系统典型 的直流静电计测量系统如 图2所示?()+的输出电流通过运算放大器反馈时 间常数为6 7的并联阻容进行积分?静电计的输出 电压正

6、比于输人电流的平均值?对于这个系统,其噪声源 为38声电压谱密度。#?!放大器内部噪声电流发生器的散弹噪声电流密度9,?因此,总输出噪声电压谱密度。为。一斌。己3:。乙2:。三,:。乏,:。乏,?!。由于;乙3?,即使用,?来对消=。,但因几。是温度和倍增管电源电压的函数,故变化起伏不定,很难达到对 消 的目的?因此,这种方法适用于光 电流大于,.?的情况?如果我们认为光电流是光 子流,则对,.?而言,相当于每秒有?2,.,.个光电子流 过?用现代电子技术无法分辨出这样的光电子的?至尸)了一,夕乙:了四、锁相放大器系统若用光斩波器对输人光斩波,则可有效地将上述 的几。慢变化隔离掉?图4是一个典

7、型的锁相放 大器测量系统?输人到单色仪的白光被光斩波器调制,借助参考信 号使频率与调制频率 相 同的 输人信 号通过锁相放大器,而()+所产生的斩 波频率以外的各种杂散信号均被锁相放大器抑制?图2电流侧量静电计系统!,()+电路的直流暗噪声3它由杂散光 和 暗!漏 电流引起?若()+不考虑打拿极3附加 噪声,则()+散弹噪声 电流谱密度的均方根值3为 几#一丫云厅兀,!?式 中?为()+的增益,;为电子电荷,几。为()+阳极 电流的暗噪声成分?!2 为使()+的=。成分为零,采用零补偿办法给 出与=。方向相反大 小相同的,?,它由晶体管电流源提供,其散弹噪声电流密度渐波器光源农一单色仪卜州样品

8、()+锁相放大器马达图4锁相放大器系统戈儿,了三 落了一了乏落丁 叹几一华兰丫?!4 反馈电阻6的热 噪声 电压 密度。,一丫5尺+及,如 果尽力消除()+管壳的漏电,电场和磁场对它的影响,漏光和电磁干 扰的拾人,则()+的内部噪声即 为主要噪声源?在放大器的噪声贡献 可忽略时,在光 信号 调制 为方波并无畸变地送 至相敏检波器的情况下,我们可 以计算出锁相放大 器输出端的信噪比为2斌丫石!,:&下里井,!,了、?尹、?产咋乙2?矛?、!、月心犬为玻耳兹曼常数,#为绝对温度,为 电阻%&(放大器内部噪声 电压发生器的散弹噪)互、+,式中.丝,%为信号光电子数。,/0为暗光移%12卷3期电子数,

9、产为频带宽度!/0 ,为过最噪声因子?是指由于电 子轨道差别和各级表面情况不同而产生的倍增器的增益变化,从而使实际噪声增 大的一个校正因子?,.,温度为4.,则 由93一才,丫!,?:&沂,可得()+的刁?=一?!噪声电流为,。一?,由#3一诬奚率,可得入()+的阳极负载电阻与放大器输人电阻并联的噪声电流为,?2,.一,.了百?,由。一,?斌面,可得放大器有源元件产生的噪声电流9,为,.一伙,由。一5,.一,了万,可得相应的噪声电压为5,.一,?由此可见,93 9,?若6大于,.口,则9,?十0 达,.,则93可降至,.一,?,但若6)口,3还 大于该3,4?()飞、的有效输出电压等于936,

10、6越大,7 的 影响越小?由放大器的噪声因子图可知,应选()+的阳极负载为最佳源阻抗值,从而得到最低的噪声因 子?实际上()+是一个电流信号源,且有较高的负载电阻,所以更多的是由管子的内部噪声来支配其他噪声?因此,应选择低温的高负载阻抗的及稳固的()+工作状态?此电阻值一般选为,一,)口?实际上,()+的阳极电路负载有管子的,.(输出电容及2.的放大器输人电蓉以及,.的电缆电容?这类电容产生两个坏作用3!在斩波工作情况下限制()+的阻 抗#!2 产生光信号与电输 出间的相位位移。为减少 它们的影响,前此式表示()+增益?的相对变化为电压。相对变化的七倍,因此需要寻找新的方法。如前所述,光束可以

11、 认为是一个个光子的光子流,每个光子具有一定的能量,可以进行测量?因此,当光子打 到光电阴极材料上时,可变换出光电子,这些光电子转换成光电流,可进行各种电信号处理?工作在某一波长范围内的光源强度可用每秒发射出光子的平均数来表示,故测冠光子 的发 射率!即侧量光电流 就可 以测出光 源强度?常常需要测极微弱的光,这时光子的发射率达几个或几百个光子?采 用通常的测量方法,很难把“信号”与相干噪声分开?用()+作光检测器时,由于电流测量系统中的噪声和漂移的影响以及光电管本身的漏电流等原因,很难精确 测量光电流?由于()+对每一个打到其阴极上的光子可给 出确定的输出 脉冲,因此将()+与相应的电子计数

12、器连接起来,即可直接测 量光 子发射率。这种方法称为光子计数法。在进行极微弱的光子计数前,必 须留心下列几点3!电源及内部连接线路必 须是 低噪声特性的?!2 光学系统必须仔细设计,使光漏最小,并防止物象在()+阴极表面移动?因为阴极表 面不均 匀会产生误差,故最好在光 阴板上为散焦象,使阴极非均匀性产生的后果为最小?!()+稳定,即在使用前管子不对紫外物理线曝光,如有可能,应在加高电压的情况下无数据送 人时工作2 斗小时?!尽可能使()+工作在阴极接地,如管子工作在负高电压的光 阴极情况下,管子玻璃壳、电木类的噪声及手摸等对地都会产生很大的暗电流?!,在冷却时,管子上不允许有很大的热梯度,以

13、防止接头或表 面产生过量 的凝结。下面介绍光 子计数系统,它 由置于暗盒中的()+,()+用的高电压 电源,脉冲放大器,脉冲高度甄别器,数字计数器,数字显示器 以及打印机组成!见图5?控控制盒盒()+”女众众高高压电佩佩确一致的?它告诉我们,光子不是有规则地发射的,而是随机的?因此,我们所侧到的是光 子发射的平均值?若选用不同的)8+进行测量,则我们将发现)8+小时所得的计数率不如)8+大时所得的计数率来得可靠?为使 实验误差最小,可以无限地增大)8+,但这种办法太浪费时间,有的实验不允许?因此要考虑进行多少次测量才能得到实验误差允许的平均 计数率?对于光子计数,我们得到它的标准偏差为了反,贡

14、是平均计数率?相对标准偏差为书。这些 证明光子计数遵从(9 统计规律?因此,与作为真正的计数率偏差相比其百分误差脉脉高高高数字字甄甄别器器器计数般般显显示器器皿皿皿并并行行打打印机机为婴肠?丫图5光子计数器系统系统中的脉冲放大器 用来放大()+的输出脉冲?因 为这个脉冲通常仅有几个毫伏,故需要进行足够的放大,以供以后 处理电子线路时使用?有的光 子计数器 为双通 道,这样可 同时 连 接 两只()+?脉冲高度甄 别器可通过确定最小 和最 大闽值来限定通过它的脉冲大小,邵用甄别器 可以去掉较小和较大的 噪声脉 冲?计数器可以有几个,例 如一个用来累计被测脉冲个数,另一个是高精度的“计 时”器,在

15、测量时将它预置在某一数值上?由晶体振荡器提供的时钟脉冲达到预置数值时,停止计数,在数字显示器上可显示 出累计脉冲数?因此,系统测得韵计数率为计数率一累计计数测量周期时间?!根据需要可在 面板上选 择 测量周期时 间!)8+?设)7+已选定,测量一恒定光源 的计数率?我们发现,每次侧量所得的计数率不是准光 子计数中计数器所示出的计数率与工作条件有关,若 建立 的条件不正确,则许多“计数”会漏掉,从而使 工作无效?因此在实际工作中,正确设定计数系统的“面板”是关键。为达到最佳工作条件,必须做到3!达到数据计数器的计数最多?!0 受高压 电源、放大器增益 以及甄别器窗口设 定等变化的影响最小?对于(

16、)+我们注意到3!由()+输出的脉冲大小与高电压有密切关系?!2()+的增益不 是恒定的,从一个脉冲到下一个脉冲是变 化的,这是二次发 射过程 的直接结果?因此,需考虑一个平均的脉冲高度,而一个个脉冲的高度可能大于或 小 于此值?所以,在甄别器输人端,出现的脉冲平均高度依赖于()+的平均增益 与脉高放大器增 益的乘积?最后脉高甄别器“接收”落在窗口内的全部大于所设 闽值的脉冲?由于()+受高电压变化的影 响很大,因此我们要选高电压变化影响不大的工作区域,对光子计数()+而言有坪曲线,如图所示所选高电压值与阂值及放大器的增益有,关?由图中可见,高电压值增高,计数率增#大,不同的()+的坪曲线不同

17、,因此不是所有,卷期、彭忿研抓书()+高压!图计数坪曲线()+工作在 同一高电压下都有相同的 增益?若将()+置于暗盒 中测量其暗计数,我们 发现有和信号脉冲大小相近的热 电子阴极 暗计数,而打拿极热电子 发射或脉冲放 大器的 噪声贡献都比较小,因此需要采用致 冷的手段来降 低暗计数,以设 定最小 暗计数率 这个工作条件?从 以上讨论可见,甄别器 窗口下 限越 高,需要的高电压越高,放大器增 益越低,需要 的高电压也越高,皆不可取?通 过 测量暗计数与闹值的关系,可 以找出合适 的 闽值?在有光 信号情况下,注意信号暗计数比是否随阑值微小增加而得 到改善,如条件选 择正确,可 使这些影 响减至

18、最小,也 即选 定最佳工作 条件?六、光多道分析系统瞬变的光学 过程 存在于 我们 生活的各个方面,研 究、观察和测量这些 过程有着重 大的意义?利用多道并行检测器新 工艺、球面全息衍射光栅 以及微机的最新 成就,做出了一种光并行检测 系统光多道分析系统,其原 理见图石?将实验装置 给 出的被测光信号送人球面全息光栅多色仪,然后多色仪再将被 测光信号 聚焦在有一定波长分布 的平面 场上,此平面 场与检测器 的检测平面相吻合?并行检测器的各个检测单元可 同时检测 出各波长位置 的光强 或光子数?由电子扫描线路 对检测器各单元进行扫描,可读出各位置的电荷信号,这些信 号被低噪声电荷灵敏放大器放大后

19、 经峰值检测送至模数转换 器?模数 转换器的输出连 至数据存贮器?微处理机是用来对 系统各 部分进行控制 并完成各种数学功能!如波长定标、谱平滑、背景扣除、透 过和吸收的计算、四则运算、微分、积分等?目前,有的设 备其功能可达2.余种?经 过 处理 的结果,可从数据存贮器给出数据或在示波屏 上显示,也 可记 录在一%仪、软盘 上,或通过电传打字机进行处理?这种 方法的真正 能力在于 同时 检 测整个光谱?新的检测 器不 断出现,大致有摄象管、硅 靶摄象管、硅 光 二极管 阵列、增 强硅 光二 极管 阵列和 门控增 强二极管 阵列等,并达到 了快 速、高分辨率、单光子检测器件的 水平?例 如采用

20、硅 光二极管 阵列,这个阵列的每一单 元单值地对谱线 的某一位置敏 感?检测器阵列读 出速 度极快,可在几个毫秒内采集完整个谱?相比之下,经典方 法每次仅采集谱的一个位置,并且 为采集一个完整谱要用机械 扫描?具体 的硅 光二极 管 阵列 是在一片 硅单 晶上加 工 的大规 模集 成电路,白是由光 二极管 阵列、开关光 二极管的开关 管!如场 效应晶体管 以及数字移 位寄存器构 成?典型 的光 二极管 阵列结构如图所示?它是在型 硅片上扩散型细条作成反 偏一结?型 和型表面两者都对 光敏 感,当光二极管反偏3日丁,在其耗尽 层层 电容73上 贮存电荷为?一8?!当除去6,无光照对,存在 在8?

21、上的电荷?将被=反 向漏 电流泄放?光照时,?被=。和光 电流=?泄放,因而一结两端的电压随 之下降?当结电容放电时 间一定!即光照的积累时间一定 时,二 极管两端电压的衰 减随 光强 的增加 而加大#当光强一定时,放电时 间愈长,二极管两端电压衰减也将增大?光照结束,立 即对一结充电,使其恢复到初始电平,显然对(结电容充电的 电荷数等于 光照期间一结电容上所消失的 全部电荷数?因 此,这个光电电流 脉冲幅度就反 映 了人 射在 光二极管上 的光 强在这段时间内 的平 均值?以电子驱动 的移位寄存器依次 对每一个二物甩口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口口 一%记康

22、仪仪仪示波器显示示示8(数据接口口口口口口口口口口口多多多多多多多多多多多多多多多多多多多多色仅仅,.接口!电传软盘等 微处理机8(定定定定定定定定定定定定定定标标标面板控制制存存存存存存存存存存存存存存贮器器器数据 处理理理理自自自自自自自自自自自自动程序等等等等执执行6)图光多道分析系统图光二极管阵列结构极 管扫描,这时场效应晶体管开关闭合,使:偏压通 过二极管加在电荷灵敏放大器 的输人端,由于线路闭合,二极管与相连的电容重新充电,并且重新充电信号被放大,通过峰值检测后送至模数转换器!?8?硅在,.一,.范围内有很高的量子效率!5.一.多,但纯硅的灵敏度还是比较低的?在2 时,需要.个光子

23、才能在含有,5位?8的 线路 中记录一个计数?对于很高的信号 电平,则无所谓?然而对于非常弱的信号,这时光 二极管阵列如果要与光 电倍增管相竟争的话,则可利用相增强器?它 的原理是在一个光 阴极上将光子转换成 光电子,通过!下转第2 5页,卷乡期用本程序根据+=8中子散射数据计算的全径向分布函数如图所示?它与射 线散射得到的分布函数比较?有两个特点3!第二主峰高度大于第一主峰高度。这和由射线散射得到的金属玻璃的分布函数的普通特 点 相反?!2 在约4入附近出现负峰?前者可解释为在+97中存在 显著的化学有序性#后者是因 为它对中子 散射中,+9,7原子的散射长度具有相 反 符 号!+#一一。?

24、4 5 一 0 7,7。一.?,.一,;?因此,利用+=8对两种散射 得到 的分布函数差别,可进行精细的结 构测定?未氖化的非晶硅氢化物,由于严重的氢的非相干散射,使径向分布函数计算难以进行?作者利用两种不同含氢量样品的中子散射强度之差比例于含氢量的假设,可 以大大减少 非相干散射的影响,并获得了不经过氖化直接由含氢样品得到类似图2的=/?3#径向分布函数?在该分布曲线上不仅反映出,一/键!,?入,而且相应于。一 9的第一峰!2?5入 分裂成双峰!其中#一2?入,可 能表 示/一/键秘,一键即.八?山4以图5一6 78的约化径向分布函数9&?(图1#:;(?%非晶硅及其氢化物利用文献上的一31

25、及一:8&1拓氖(的中子散射强度,用本程序计算了相应的9&,(分布 曲线%一 7的径向分布函数所对应的峰位置和配位数与 由射线 和电子衍射得 到的是一致 的 1%图?所示的一6 78的 径 向分布函数,一3入 处 出现了一个一6 7没有的 附加峰,这是对应于 7一的 共价键间 距%非 晶硅氢化物的这个间距用射线和电子衍射法是观察不 到的,这是中子衍射法的优点%本工作采用的中子散 射数据是 由中国原子能 科学院杨继廉、张百生和南开大学黄杰生提供的%他们和南开 大学汪根 时教授对本工作 给予了大力支持和帮助,谨致谢意%1311陈济舟、王俊桥、叶绪宰,计算机与应用,3一1&12(,1%阐香兰等,计算

26、机与应用化学,3一&!2 3(,12%9%,/%,+?,/87)?7,/,?00%卜;!?/0,/?66,7),?0,&12 3(%陈济舟 等,分析测试通报,一,&12(,3%陈济舟、王俊桥、叶绪拳,金属学报,?一&1 2(,?1%#%,6,!%,夕%口粉%口?6,导&1 2(,%3%;%,6 6?!0#%=%9?,夕6%巴夕%乙?,?,?&12 2(,11%&上接第 页(微通道板放大这些光电子,借助于磷光体再将光电子转换成光子%这种 器件用纤维光束与光二极管阵 列连接,可“放大”信号近 一个数量级%为测快速瞬态信号,在增强器上可 以加一控制门电路,可 测信号高达3一1。%1%4%亨利著,铁 道部北京?通信工广科学研究所翻译组译,电子系统噪声抑制技术,人民铁道出版社,&12(%?,乙6口?才户:,?一&12 (,1一斗 3 陈一询,百科知识,+,%1 1&12 3(,3,一一1 2卷3期