TDC及TCSPC高精度時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)模塊的技術(shù)原理

TDC技術(shù)和TCSPC技術(shù)都是用來(lái)進(jìn)行時(shí)間測(cè)量的技術(shù)手段，雖然應(yīng)用范圍大致相同，但是原理卻不同。

TDC原理如右圖所示。來(lái)自單光子探測(cè)器的光電子信號(hào)脈沖和來(lái)自激光器的參考脈沖輸入到延遲鏈中。時(shí)序邏輯查看延遲鏈中的數(shù)據(jù)，識(shí)別單光子和及激光脈沖的開始-停止對(duì)，并以此方式確定單光子在激光脈沖序列中的時(shí)間位置。然后，可以根據(jù)這些數(shù)據(jù)，建立通常的TCSPC/FLIM光子分布。
TCSPC技術(shù)所基于的原理是：在記錄低強(qiáng)度、高重復(fù)頻率的脈沖信號(hào)時(shí)，由于光強(qiáng)很低，以至于在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)探測(cè)到一個(gè)光子的概率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1。因此，沒有必要考慮在一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)探測(cè)到幾個(gè)光子的情形。只要記錄這些光子，測(cè)量它們?cè)谛盘?hào)周期內(nèi)的時(shí)間，并建立光子時(shí)間分布的直方圖就足夠了。TCSPC技術(shù)的基本原理如圖所示。
 
探測(cè)器的輸出信號(hào)是對(duì)應(yīng)于探測(cè)到單個(gè)光子的隨機(jī)分布的脈沖序列。一般情況下，一個(gè)信號(hào)周期內(nèi)探測(cè)到多于一個(gè)光子的幾率是很小的，有些信號(hào)周期會(huì)探測(cè)到一個(gè)光子，也有許多信號(hào)周期沒有檢測(cè)到光子。當(dāng)探測(cè)到一個(gè)光子時(shí)，就可以在信號(hào)周期內(nèi)測(cè)得與探測(cè)器脈沖對(duì)應(yīng)的時(shí)間。每記錄一次這樣的事件（光子），就在對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)單元中加“1”，該存儲(chǔ)單元的地址與探測(cè)時(shí)間對(duì)應(yīng)。在記錄了許多光子之后，就可以根據(jù)存儲(chǔ)器中各個(gè)單元的光子數(shù)，得到探測(cè)時(shí)間的分布，即光脈沖的波形。乍看起來(lái)其原理雖然有點(diǎn)復(fù)雜，但TCSPC在記錄光子信號(hào)時(shí)，其時(shí)間分辨率非常高，探測(cè)效率接近于理想。

TCSPC可以高精度地測(cè)量出單個(gè)光子脈沖的時(shí)間，因此，光子計(jì)數(shù)實(shí)驗(yàn)中的帶寬僅僅受到探測(cè)器輸出脈沖的渡越時(shí)間漲落（transit time spread，TTS）的限制，而不受單電子脈沖（single electron response，SER）寬度的限制。由于探測(cè)器單光子脈沖的TTS通常比其SER要窄一個(gè)數(shù)量級(jí)，因此對(duì)特定的探測(cè)器，TCSPC技術(shù)可以獲得比任何一種模擬記錄技術(shù)更高的時(shí)間分辨率。

所以對(duì)于時(shí)間分辨率（時(shí)間精度）這個(gè)重要參數(shù)，TCSPC比TDC更容易實(shí)現(xiàn)高分辨率技術(shù)。

上海昊量光電推出的高分辨率多通道的時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)TCSPC模塊——quTAG。quTAG是一款高端、易于使用的時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器和時(shí)間標(biāo)記器件，專為時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)（TCSPC）而設(shè)計(jì)。與其他同類產(chǎn)品相比，在相同的時(shí)間精度下，quTAG擁有更多的stop通道數(shù)；在相同的時(shí)間精度和通道數(shù)下，quTAG能實(shí)現(xiàn)更低的抖動(dòng)。其性價(jià)比高，應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，是時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器中的明星產(chǎn)品。

這款時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器，時(shí)間精度為1ps，時(shí)間抖動(dòng)最低<2.3 ps，最高可達(dá)32個(gè)stop通道，每通道最高計(jì)數(shù)率可達(dá)100MHz，并可同步10臺(tái)設(shè)備。更是有不同的型號(hào)供挑選，來(lái)滿足不同的應(yīng)用需求。
時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器quTAG的應(yīng)用軟件功能模塊不僅有計(jì)數(shù)，時(shí)間符合窗口，直方圖模塊；還有Detecter Parameters模塊可對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行調(diào)節(jié)；更有二階相干性模塊以及Life time模塊來(lái)進(jìn)行相關(guān)研究的數(shù)據(jù)處理及呈現(xiàn)，如下圖：
并且所有 quTAG都含有軟件包，該軟件包具有易于使用的 GUI 和強(qiáng)大的 API，可以通過外部軟件例程(如 C、Python、LabView 和 Matlab)控制所有功能，支持二次軟件開發(fā)。所有的功能都包含在軟件包中，你可以直接獲得時(shí)間戳或者以簡(jiǎn)單的文件格式保存到你的硬盤，供您自己的分析軟件進(jìn)行后續(xù)處理。該軟件適用于32 位和 64 位的 Windows 和 Linux。

基于硬件的性能和軟件的功能，quTAG的在皮秒時(shí)間測(cè)量的應(yīng)用范圍非常廣泛，是粒子物理、生物、量子光學(xué)、距離修正等領(lǐng)域的不二利器！
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