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    時間相關單光子計數(TCSPC)技術原理

    發布時間:2021-10-08   點擊次數:7692次


    時間相關單光子計數技術所基于的原理是:在記錄低強度、高重復頻率的脈沖信號時,由于光強很低,以至于在一個信號周期內探測到一個光子的概率遠遠小于1。因此,沒有必要考慮在一個信號周期內探測到幾個光子的情形。只要記錄這些光子,測量它們在信號周期內的時間,并建立光子時間分布的直方圖就足夠了。

    TCSPC技術的基本原理如下圖所示

    tcspc技術原理-1.jpg

    探測器的輸出信號是對應于探測到單個光子的隨機分布的脈沖序列。當探測到一個光子時,就可以在信號周期內測得與探測器脈沖對應的時間。每記錄一次這樣的事件(光子),就在對應的存儲單元(Bin)中加1,該存儲單元的地址與探測時間對應。在記錄很多光子之后,就可以根據存儲器中各個單元的光子數,得到探測時間的分布,即光脈沖的波形。

        TCSPC可以高精度的測量出每個光子脈沖的時間,因此光子計數實驗中的帶寬僅僅受到探測器輸出脈沖的TTS (Transit time spread)限制,而不受單電子脈沖(Single electron response, SER)寬度的限制。由于探測器單光子脈沖的TTS通常比其SER要窄一個數量級,因此對特定的他測器,TCSPC技術可以獲得比任何一種模擬記錄技術更高的時間分辨率。

        TCSPC實驗的有效分辨率可以通過儀器響應函數IRF來表征。

    tcspc-2.jpg

    所以IRF會受激光器脈沖、探測器的時間響應、TCSPC的時間抖動等影響。

    ALPHALAS的皮秒半導體激光器脈寬一般是40-70ps

    SPAD的時間響應在40-350ps之間

    Swabian Time Tagger時間相關單光子計數器的時間抖動在4-42 ps之間。

    tcspc-3.jpg

    記錄光子分布的時間通道的寬度最小可以達到1ps。利用小的時間通道寬度,并結合大量的時間通道,可以對信號波形進行充分的采樣。因此利用解卷積技術,可以測量比IRF寬度更短的熒光壽命。





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