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TCSPC的经典原则

张杰

TCSPC的经典原则插图 TCSPC 在激光脉冲后的光子时间上建立光子分布

时间相关单光子技术(TCSPC)检测周期性光信号的单光子,并确定激发脉冲后光子的时间。

信号的脉冲重复率高于光子检测率。因此每个信号周期检测到多个光子的可能性极小。每个信号周期只需要考虑一个光子。在这些条件下,可以在极高的分辨率下确定该光子的时间。

从单个光子的时间开始,TCSPC在激发脉冲后的时间内建立光子的分布。光子分布表示光信号的波形。见上图。

TCSPC还具有许多其他突出的功能。首先,它实现了近乎理想的光子效率:探测器看到的每个光子最终都会进入光子分布,从而对结果做出贡献。其次,TCSPC达到了极高的时间分辨率。分辨率不受探测器的单光子响应的限制,就像模拟记录技术一样。相反,分辨率由探测器中电子的传输时间抖动给出。这可能比单光子脉冲的宽度小10到50倍。例如,bh TCSPC器件在半峰时实现了小于20ps全宽的仪器响应函数(IRF),其混合探测器的单光子响应宽度约为1ns。

TCSPC的经典原则插图1

bh TCSPC器件通过快速混合探测器

TCSPC的经典原则插图2

4.4ps IRF宽度,带单纳米线超导检测器

第三,使用bh TCSPC器件,即使是最快的IRF也可以在满足奈奎斯特的点密度下进行采样。由于时间通道宽度低至203fs,即使是最后一点时间信息也可以从记录信号中剔除。

第四,TCSPC达到了极高的动态范围和极高的线性度。实际上,动态范围受信号光子速率和背景计数率之比的限制。

TCSPC的经典原则插图3

在三个数量级上准确记录荧光衰减

高动态范围与高线性度相结合,使得分析多指数荧光衰减过程成为可能。对于生命科学中的应用来说,这是一个非常重要的特征:这些应用中的信息不直接存在于荧光衰变的表观时间中,而是存在于衰变的组成中,即衰变成分的持续时间和振幅。

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