4. 单光子探测技术

单光子探测是量子光学实验的“眼睛”。无论是测量纠缠光子对符合计数、表征压缩光噪声，还是做量子密钥分发，最终都要把极微弱的光信号转换成可被电子学记录的电脉冲。本节围绕光电倍增管（PMT）、雪崩光电二极管（APD）的盖革模式与线性模式、死时间校正、暗计数抑制以及探测效率标定展开，重点说明“器件怎么工作、参数怎么选、数据怎么修正”。

一、两类核心探测器：PMT 与 APD

光电倍增管利用外光电效应：光子打到光电阴极激发出光电子，经打拿极链逐级二次发射倍增，增益可达 10⁵～10⁷，输出为纳秒级电流脉冲。它的优点是增益高、噪声低、响应快，缺点是量子效率在可见光波段通常只有 10%～25%，且对磁场敏感、体积大、需要数百至上千伏高压。

雪崩光电二极管利用内光电效应：光子被吸收后产生电子—空穴对，在强电场区发生碰撞电离形成雪崩倍增。硅基 APD 在 600～900 nm 量子效率可超过 60%，体积小、工作电压低（几十至几百伏），因此成为现代单光子计数的主流器件。APD 有两种截然不同的工作模式，这是本节最需要区分的概念。

二、盖革模式的关键参数与死时间校正

盖革模式下，APD 被偏置在击穿电压之上，单个光子触发雪崩后，必须通过淬灭电路把偏压降到击穿电压以下，等待雪崩熄灭，再恢复到工作偏压，才能探测下一个光子。这段无法响应的时间称为死时间 τ，典型值 20～100 ns（被动淬灭）或 10～50 ns（主动淬灭）。

死时间会造成计数丢失，使测得计数率 m 低于真实光子到达率 n。对非扩展型（non-paralyzable）死时间模型，校正公式为：

n = m / (1 - m·τ)

其中：
  m  —— 实测计数率（cps）
  τ  —— 死时间（s）
  n  —— 校正后真实计数率（cps）

示例：τ = 50 ns，m = 5×10⁶ cps
  m·τ = 5e6 × 50e-9 = 0.25
  n = 5e6 / (1 - 0.25) = 6.67×10⁶ cps
  计数损失约 25%，必须校正

当 m·τ 接近 1 时，校正公式发散，说明探测器已饱和，此时应降低光强或改用线性模式。实际实验中，建议把单通道计数率控制在 1×10⁶ cps 以下，使死时间损失小于 5%。

三、暗计数抑制

暗计数是在无光输入时由热激发、隧穿效应或后脉冲产生的伪计数。抑制手段主要有四类：

• 降低工作温度：硅 APD 每降温约 7～10 K，暗计数约减半。自由运行探测器常制冷至 −20 ℃～−60 ℃，暗计数可降至 10～100 cps。
• 门控模式：只在预期光子到达的短时间窗口（如 1～5 ns）内把偏压抬到击穿电压以上，其余时间保持低于击穿电压，可把暗计数压低 2～3 个数量级。
• 后脉冲抑制：适当延长死时间或采用主动淬灭，减少陷阱释放载流子造成的延迟雪崩。
• 阈值与符合判别：用时间数字转换器（TDC）记录脉冲到达时刻，通过符合窗口剔除随机暗计数。

四、探测效率标定

探测效率（PDE）定义为：PDE = η_abs × η_trigger × η_geo，其中 η_abs 为吸收效率，η_trigger 为触发概率，η_geo 为光耦合几何效率。标定 PDE 的常用方法是“衰减法”或“符合法”。

衰减法流程：用已知平均光子数 μ 的弱相干光（经校准衰减器获得），记录探测计数率 R，则 PDE ≈ R / (μ·f_rep)，其中 f_rep 为光源重复频率。μ 需通过功率计标定，且满足 μ ≪ 1 以避免多光子效应。

符合法更适合纠缠光子对源：将待测探测器与一个已标定的参考探测器做符合测量，通过符合计数与单路计数之比反推待测探测器效率，可消除光源绝对亮度不确定度的影响。

五、实操要点与判断依据

搭建单光子探测系统时，建议按以下顺序检查：先确认偏压是否高于击穿电压（盖革模式）或处于线性区（线性模式）；再用示波器观察输出脉冲幅度与宽度，判断淬灭是否正常；然后遮光测量暗计数，若暗计数偏高，先降温再考虑门控；最后接入已知光强做计数率线性测试，绘制 m 随光功率变化曲线，若出现明显弯曲，说明死时间损失不可忽略，需用校正公式修正。

判断探测器是否工作正常，可观察三个指标：暗计数是否在厂家标称范围内、单光子脉冲幅度是否稳定、计数率随光强是否呈线性（低计数率区）。若脉冲幅度抖动大或计数率随光强饱和，应检查淬灭电路、偏压稳定度和死时间设置。

综合来看，PMT 适合需要大面积、低噪声、快响应的场合；APD 盖革模式适合单光子计数与量子密钥分发；APD 线性模式适合光子数分辨与高计数率场景。理解死时间、暗计数和探测效率三者的关系，是正确使用单光子探测器、获得可信量子光学数据的前提。