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光子是光的基本粒子，由爱因斯坦在解释光电效应时提出。每个光子的能量由普朗克公式E等于h乘以频率确定。光子同时具有粒子性和波动性，这种双重特征是量子力学的基本概念。单光子检测技术能够探测到单个光子，在量子通信、精密测量和生物荧光检测等领域具有重要应用价值。
光电效应是爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖的重要发现。当光子能量大于金属的逸出功时，光子撞击金属表面会产生光电子。光电子的动能等于光子能量减去逸出功。这个过程的量子效率定义为产生的光电子数与入射光子数的比值，是衡量光电探测器性能的重要参数。只有当光子能量超过阈值条件时，才能发生光电效应。
单光子探测器主要有两种类型。光电倍增管使用光电阴极将光子转换为光电子，然后通过一系列倍增极进行电子倍增，最终在阳极收集放大后的信号。雪崩光电二极管则利用半导体pn结的雪崩倍增效应来放大信号。PMT具有低噪声和高增益的优点，而APD则具有体积小和响应速度快的特点。这些探测器的关键性能参数包括量子效率、暗计数率和时间分辨率。
单光子产生的电信号极其微弱，通常只有几毫伏甚至更小。信号处理链路包括前置放大器、甄别器和计数器。前置放大器负责低噪声放大和阻抗匹配，将微弱信号放大到可处理的水平。甄别器设置阈值电压来区分真实信号和噪声，输出标准的数字脉冲。阈值设置非常关键，过低会引入过多噪声，过高会丢失真实信号，需要根据具体应用进行优化平衡。
信号分析是单光子检测的关键环节。脉冲计数法通过统计单位时间内的脉冲数进行测量，适用于稳态信号。时间相关单光子计数技术能够测量光子到达的精确时间，构建时间直方图，实现纳秒级的时间分辨。通过统计分布分析和时间相关性检验可以有效识别和抑制噪声。信噪比的提升可以通过时间门控、符合计数和数字滤波等方法实现，从而获得更准确的测量结果。