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时间相关单光子计数(TCSPC)技术原理

发布时间:2021-10-08   点击次数:114次


时间相关单光子计数技术所基于的原理是:在记录低强度、高重复频率的脉冲信号时,由于光强很低,以至于在一个信号周期内探测到一个光子的概率远远小于1。因此,没有必要考虑在一个信号周期内探测到几个光子的情形。只要记录这些光子,测量它们在信号周期内的时间,并建立光子时间分布的直方图就足够了。

TCSPC技术的基本原理如下图所示

tcspc技术原理-1.jpg

探测器的输出信号是对应于探测到单个光子的随机分布的脉冲序列。当探测到一个光子时,就可以在信号周期内测得与探测器脉冲对应的时间。每记录一次这样的事件(光子),就在对应的存储单元(Bin)中加1,该存储单元的地址与探测时间对应。在记录很多光子之后,就可以根据存储器中各个单元的光子数,得到探测时间的分布,即光脉冲的波形。

    TCSPC可以高精度的测量出每个光子脉冲的时间,因此光子计数实验中的带宽仅仅受到探测器输出脉冲的TTS (Transit time spread)限制,而不受单电子脉冲(Single electron response, SER)宽度的限制。由于探测器单光子脉冲的TTS通常比其SER要窄一个数量级,因此对特定的他测器,TCSPC技术可以获得比任何一种模拟记录技术更高的时间分辨率。

    TCSPC实验的有效分辨率可以通过仪器响应函数IRF来表征。

tcspc-2.jpg

所以IRF会受激光器脉冲、探测器的时间响应、TCSPC的时间抖动等影响。

ALPHALAS的皮秒半导体激光器脉宽一般是40-70ps

SPAD的时间响应在40-350ps之间

Swabian Time Tagger时间相关单光子计数器的时间抖动在4-42 ps之间。

tcspc-3.jpg

记录光子分布的时间通道的宽度最小可以达到1ps。利用小的时间通道宽度,并结合大量的时间通道,可以对信号波形进行充分的采样。因此利用解卷积技术,可以测量比IRF宽度更短的荧光寿命。


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