[发明专利]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

说明书

本发明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。

技术领域

本发明属于光学测量和半导体光电子学技术领域，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。

背景技术

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 spotmeasurements 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 ofX-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。

发明内容

本发明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。

本发明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：

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；

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；