基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法技术

本发明专利技术公开的基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法，利用硅光电倍增管作为单光子响应探测器，结合精密位移台，通过二维或一维空间扫描和反卷积运算，得到了经过显微镜物镜聚焦的单光子量级脉冲激光光斑的尺寸与光强的空间分布。的尺寸与光强的空间分布。的尺寸与光强的空间分布。

【技术实现步骤摘要】
基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法


[0001]本专利技术属于光学测量和半导体光电子学
，具体涉及一种基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法。

技术介绍

[0002]微小光斑聚焦技术在多个领域都有重要应用。例如激光自准直与测量、光信息存储及传输、生物微流管制备等都需要将光斑聚焦到很小的尺寸。其中单光子量级的微小光斑在单光子成像、时间相关荧光寿命光谱、光学量子信息处理等领域中具有重要应用。目前对于微小光斑的常用测量方法有：平板/平面探测器测量法、(狭缝、刀口、针孔)扫描法、CCD(电荷耦合器件)法等。Jain A等人(A.Jain,A.Panse,D.R.Bednarek,S.Rudin,Focal spot measurements using a digital flat panel detector,Spie Medical Imaging,9033(90335F)(2014))使用194μm像素平板探测器(FPD,Flat panel detector)结合微针孔(10μm)测量焦斑，使用反卷积的方法减弱在聚焦光斑测量过程中检测器所带来的模糊效应，测量光斑尺寸在0.6mm左右。TakeuchiA等人(A.Takeuchi,Y.Suzuki,K.Uesugi,Differential
‑
phase
‑
contrast knife
‑
edge scan method for precise evaluation of X
>‑
ray nanobeam,Japanese Journal of Applied Physics 54(9)(2015)092401.)针对微小光斑在刀口法基础上进行改进，使用具有CMOS传感器/CCD的硬x射线微束刀边扫描系统，使用钽薄膜作刀边对聚焦微束扫描，测量出聚焦光斑尺寸在25nm。但该方法无法响应单光子量级的脉冲光斑。S K Tiwari等人(S.K.Tiwari,S.P.Ram,J.Jayabalan,S.R.Mishra,Measuring a narrow Bessel beam spot by scanning a charge
‑
coupled device(CCD)pixel,Measurement Science and Technology 21(2)(2010)025308.)将CCD光敏面垂直于光束轴放置，通过CCD成像的方法记录光束强度在扫描平面的二维分布，测量出了与像素大小相近且小于像素大小的4μm光斑。以上方法所使用的CCD不具备单光子响应能力，对于单光子量级的脉冲光斑测量无法实现。目前对于单光子量级的光斑尺寸测量鲜有报道。刘玉周等人(刘玉周,赵斌.扫描法测量无衍射成像微光斑的能量分布.应用光学,06(2007):680
‑
683.)利用光电倍增管(PMT)作为光信号探测器，测量出了6μm的贝塞尔光束的束腰光斑，但是该法所使用的PMT为真空器件，最小尺寸在厘米量级，限制了系统的集成度，且光子数分辨本领较差。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于提供一种基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法，解决了现有技术对于单光子量级的脉冲光斑测量无法实现的问题。
[0004]本专利技术所采用的技术方案是：基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法，该测量方法基于的装置包括放置硅光电倍增管的纳米位移台，纳米位移台依次电连接有纳米位移台驱动器和计算机；纳米位移台的下方设置有光路正对硅光电倍增管的显微物镜，显微物镜下沿光路方向依次设置有针孔透光片和倾斜的激光分束镜，激光分束镜
的一侧沿光路方向设置有激光头，激光头电连接有皮秒脉冲激光驱动器；还包括均与硅光电倍增管连接的稳压电源和高速低噪声放大器，高速低噪声放大器的另一端连接有数字示波器，数字示波器的另一端连接至计算机；该测量方法具体包括以下步骤：
[0005]步骤1、将硅光电倍增管放在电磁屏蔽盒内，光敏面朝下放置在纳米位移台上；
[0006]步骤2、在激光分束镜与显微物镜之间的光路上水平放置中心开孔的针孔透光片；
[0007]步骤3、皮秒脉冲激光驱动器使激光头照射皮秒激光束，经激光分束镜分束通过显微物镜使皮秒激光束在硅光电倍增管的表面聚焦成光斑；
[0008]步骤4、通过稳压电源向硅光电倍增管供电，使其达到盖革雪崩模式，输出的雪崩脉冲信号先经高速低噪声放大器进行信号放大，再输入数字示波器获取脉冲计数率；
[0009]步骤5、用计算机的程序控制纳米位移台驱动器使纳米位移台移动，获取不同位置的脉冲计数率分布；
[0010]步骤6、用计算机上获取的不同位置脉冲计数率分布与硅光电倍增管中雪崩二极管单元的形状函数做反卷积运算，将反卷积运算结果进行贝塞尔函数拟合得出光斑尺寸信息。
[0011]本专利技术的特点还在于，
[0012]步骤2中针孔透光片的中心开有孔径不超过100微米的针孔。
[0013]步骤3通过皮秒脉冲激光驱动器调节皮秒激光束的强度，使硅光电倍增管雪崩的计数率低于皮秒激光束重复频率的10％。
[0014]皮秒激光束的重复频率为1
‑
100兆赫兹。
[0015]步骤6中通过做反卷积运算得到聚焦激光光斑相对光强的空间分布函数f(x,y)，通过公式(1)表示为：
[0016]f(x,y)＝F
‑1{F(f
x
,f
y
)}
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0017]式(1)中，x,y为垂直于光束传播方向光束腰截面内的坐标，F
‑1{F(f
x
,f
y
)}为f(x,y)的傅里叶逆变换形式，F(f
x
,f
y
)是f(x,y)的傅里叶变换形式，通过公式(2)表示为：
[0018]F(f
x
,f
y
)＝H(f
x
,f
y
)/G(f
x
,f
y
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
[0019]式(2)中，H(f
x
,f
y
)、G(f
x
,f
y
)依次通过公式(3)、(4)表示为：
[0020][0021][0022]式(3)和式(4)中，L0为扫描的空间范围，H(f
x
,f
y
)为脉冲计数率分布函数h(x,y)的傅里叶变换形式，G(f
x
,f
y
)为雪崩二极管单元的形状函数g(x,y)的傅里叶变换形式，i为虚数单位，e为自然底数。
[0023]本专利技术的有益效果是：
[0024](1)能够测量单光子亚微米量级的微小光斑；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法，其特征在于，该测量方法基于的装置包括放置硅光电倍增管(11)的纳米位移台(5)，纳米位移台(5)依次电连接有纳米位移台驱动器(4)和计算机(12)；纳米位移台(5)的下方设置有光路正对硅光电倍增管(11)的显微物镜(10)，显微物镜(10)下沿光路方向依次设置有针孔透光片(9)和倾斜的激光分束镜(8)，激光分束镜(8)的一侧沿光路方向设置有激光头(7)，激光头(7)电连接有皮秒脉冲激光驱动器(6)；还包括均与硅光电倍增管(11)连接的稳压电源(1)和高速低噪声放大器(2)，高速低噪声放大器(2)的另一端连接有数字示波器(3)，数字示波器(3)的另一端连接至计算机(12)；该测量方法具体包括以下步骤：步骤1、将硅光电倍增管(11)放在电磁屏蔽盒内，光敏面朝下放置在纳米位移台(5)上；步骤2、在激光分束镜(8)与显微物镜(10)之间的光路上水平放置中心开孔的针孔透光片(9)；步骤3、皮秒脉冲激光驱动器(6)使激光头(7)照射皮秒激光束，经激光分束镜(8)分束通过显微物镜(10)使皮秒激光束在硅光电倍增管(11)的表面聚焦成光斑；步骤4、通过稳压电源(1)向硅光电倍增管(11)供电，使其达到盖革雪崩模式，输出的雪崩脉冲信号先经高速低噪声放大器(2)进行信号放大，再输入数字示波器(3)获取脉冲计数率；步骤5、用计算机(12)的程序控制纳米位移台驱动器(4)使纳米位移台(5)移动，获取不同位置的脉冲计数率分布；步骤6、用计算机(12)上获取的不同位置脉冲计数率分布与硅光电倍增管(11)中雪崩二极管单元的形状函数做反卷积运算，将反卷积运算结果进行贝塞尔函数拟合得出光斑尺寸信息。2.如权利要求1所述的基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法，其特征在于，所述步骤2中针孔透光片(9)的中心开有孔径不超过100微米的针孔。3.如权利要求1所述的基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法，其特征在于，所述步骤3通过皮秒脉冲激光驱动器(6)调节皮秒激光束的强度，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张国青，杨亚贤，曹馨悦，张晨，刘丽娜，
申请(专利权)人：西安工程大学，
类型：发明
国别省市：