在量子通信、生物荧光成像、天文观测等领域，微弱光信号的精准捕捉是技术突破的关键。传统光电探测器在光强低于10⁻¹⁴W时，信号会全部淹没在热噪声中，而
单光子计数器通过“单光子级”探测能力与数字信号处理技术，成为突破这一极限的核心工具。
一、核心原理：从光子到数字信号的转化
单光子计数器的核心在于光电倍增管（PMT）或雪崩光电二极管（APD）的量子级响应。当单个光子撞击PMT光阴极时，会激发一个光电子，该电子在10⁶-10⁷倍增极的加速下，通过二次电子发射效应形成雪崩式倍增，最终产生毫伏级脉冲信号。
信号处理链路中，前置放大器将微弱脉冲线性放大至100-200mV，甄别器通过设定阈值滤除暗电流噪声与宇宙射线干扰，仅允许符合光子特征的脉冲通过。最终，计数器以100MHz速率记录脉冲数目，结合时间数字转换器可实现皮秒级时间戳标记，为荧光寿命测量等应用提供时间维度数据。
二、技术优势：突破传统探测的三大壁垒
1.超高灵敏度：可探测低至10⁻¹⁷W的光功率，相当于每秒仅0.1个光子的流量。在量子密钥分发系统中，该特性使通信距离突破500公里限制。
2.抗噪声能力：通过脉冲甄别技术，暗计数率可压低至10Hz以下。
3.动态范围宽：覆盖10⁶:1的光强变化，从单光子到百万光子/秒均可精准计数。在激光雷达应用中，该特性支持从近场强反射到远场弱回波的全场景探测。
三、典型应用：重塑多领域技术范式
1.量子通信：在BB84协议中，单光子计数器作为接收端核心器件，通过甄别偏振态光子实现无条件安全通信，中国“墨子号”卫星即采用此类技术。
2.生物成像：结合时间相关单光子计数技术，可构建荧光寿命成像显微镜，分辨率达10ps级，精准区分细胞内不同代谢状态的荧光分子。
3.天文观测：在甚长基线干涉测量中，它用于接收遥远星体的微弱光子，助力事件视界望远镜拍摄黑洞首张照片。
从实验室到产业现场，单光子计数器正以“单光子精度”重新定义微弱光探测的边界。随着超导纳米线单光子探测器等新型器件的突破，其量子效率已突破90%，未来将在深空探测、脑机接口等领域开启更多可能。
