[发明专利]单光子探测器用于分辨光子数的测量方法

说明书

技术领域

本发明属于光学领域，涉及光子数的测量技术，具体是一种单光子探测器用于分辨光子数的测量方法。

背景技术

近年来，单光子探测技术被广泛应用于精密分析、大气测污、生物发光、高能物理、天文物理、量子信息等领域。尤其是单光子光场为量子信息和量子计算奠定了物理实现的基础。目前量子密钥分配普遍使用平均光子数远小于1的弱激光源为单光子源，由于光子数服从泊松分布，存在多光子概率，从而给窃听者留下可乘之机，限制了通信双方的安全传输距离范围。因此发展分辨光子数的探测技术具有非常重要的意义。

作为相干光的激光其光子数服从泊松分布                                                ，其中μ为平均光子数，所述平均光子数表示光子数的最可积值，平均光子数μ可通过下式表示：μ=1×P(1)+2×P(2)+3×P(3)+……+n×P(n)，式中P(n)为激光中出现光子数为n的概率。

基于雪崩效应的单光子探测器典型器件有光电倍增管和雪崩二极管。当入射光子进入单光子探测器进行光电转换时，会产生一个电子空穴对，电子渡越到探测器的倍增区域，加速碰撞产生更多的电子空穴对，产生雪崩效应。如果雪崩效应产生的光电脉冲高于幅度鉴别器电压，单光子探测器输出电子计数脉冲，就认为该光子是可探测的。我们定义光子到达单光子探测器的吸收层时为开始时刻，单光子探测器产生一个电子空穴对，输出电子计数脉冲时刻为终止时刻，这两个时刻之间的时间间隔为光子的响应时间。光子的响应时间具有统计分布特性。然而如果有多个光子同时到达单光子探测器，则只有第一个触发雪崩的光子被单光子探测器记录下来，其它光子只是参与到雪崩饱和过程。这种单光子探测器中的雪崩效应使得其仅对第一个触发的光子有响应，不能直接用于光子数分辨。

目前，人们实现了多种测量微弱激光光子数的方法。有人采用高灵敏度、响应区域大的可见光光子计数仪，通过改变光学参量下转换产生的双光子光程差，利用响应脉冲幅值与脉宽不同区分单光子与双光子．这种方法只可以用于双光子检测，且暗计数率高达10 kHz。此外，有人采用时间延迟技术，即入射光场经N通道分流变为时间独立的N个单光子脉冲，耦合进入N个探测器，在一定程度上也可以区分光子数目。但由于多通道存在较高的光子损失，测量得到的光子数误差较大，不能准确有效区分光子数。一种理想的方法是利用超导临界相变单光子探测技术，由于极大地降低背景噪声，可以直接有效地区分光子数，然而这种方法的缺点是响应速度慢，同时利用液氦降温，成本较高，限制了实际应用。

发明内容

本发明是为了解决目前缺乏一种成本低廉、结果准确的测量微弱激光光子数的技术问题，提供一种单光子探测器用于分辨光子数的测量方法。

本发明采用了如下技术方案来实现：一种单光子探测器用于分辨光子数的测量方法，包括以下步骤：（a）、将平均光子数为μ₁、μ₂…μ_i…μ_m的微弱激光分别入射至单光子探测器，m表示欲求光子的响应时间的最大光子数；（b）、分别记录单光子探测器针对每次微弱激光的暂态信号响应时间t₁、t₂…t_i…t_m；（c）、通过下述拟合公式对光子的响应时间进行拟合：