Einzelphotonenzählung

Einzelphotonenzählung bezeichnet die Messung einzelner Photonen, wobei jedes eingehende Photon als diskretes Ereignis erfasst wird. Typischerweise erzeugt ein eingestrahltes Photon an einem geeigneten Detektor einen abgegrenzten elektrischen Puls, der vom Zähler gezählt wird. Dadurch lassen sich Zählraten, zeitliche Verteilungen oder Zeitstempel einzelner Photonen bestimmen. Die Methode ist besonders empfindlich und wird dort eingesetzt, wo geringe Lichtmengen oder präzise Timing-Auflösungen nötig sind.

Zu den verbreiteten Detektortypen gehören Photomultiplier (PMTs) und Avalanche-Photodioden (APDs) im Geiger-Modus, oft auch InGaAs-APDs für infrarotes Licht. In jüngerer Zeit gewinnen Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors (SNSPDs) an Bedeutung aufgrund hoher Detektionswahrscheinlichkeit, geringer Dunkelzählraten und sehr kurzer Pulsbreiten. Die Detektoren werden mit Timing- und Zählerelektronik kombiniert, häufig unter Einsatz von TCSPC (Time-Ccorrelated Single-Photon Counting) zur zeitbezogenen Auswertung einzelner Photonen.

Wesentliche Parameter sind Quanteneffizienz (Effizienz, mit der Photonen in Pulse umgesetzt werden), Dunkelzählrate ( Fehlmeldungen ohne Licht), Totzeit (Zeitfenster nach einem Ereignis, in dem keine weiteren Ereignisse gezählt werden können) und Nachlicht/Nachbeben. Die statistische Beschreibung folgt oft einem Poisson-Prozess: Die Anzahl der Detektorpulse in einer Messdauer ist bei konstantem Lichtfluss eine Zufallsvariable mit erwarteten Werten aus der Photonenausbeute und dem Detektoreniveau.

Anwendungen finden sich in der Quantenkommunikation (QKD), Quantenbildgebung, Fluoreszenz-Lifetime-Messungen, Spektroskopie sowie in Lidar-Systemen und astronomischen Beobachtungen. Die Technik hat sich durch leistungsfähige Detektoren und fortschrittliche Timing-Tools zu einem zentralen Werkzeug der Photonenzählung entwickelt.