CN112197879B - 一种高时间分辨单光子探测方法及单光子探测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高时间分辨单光子探测方法及单光子探测系统，解决现有技术中单光子探测器时间分辨精度较低的问题。本发明提取待测光子事件的一维光子信息，并通过将待测光子事件的时间信息转换成空间信息，消除了电子倍增过程的时间弥散对探测器时间分辨的影响，提高了时间测量精度。
Description
技术领域
本发明属于瞬态光子技术领域，涉及一种瞬态光子探测技术，具体涉及一种高时间分辨单光子探测方法及单光子探测系统。
背景技术
单光子探测器是一种超低噪声器件，增强的灵敏度使其能够对单个光子进行探测和计数。时间相关单光子计数(Time correlated single photon counting，TCSPC)是一种光子到达时刻测量技术，由于其具有高灵敏度、较高的时间分辨、输出数据数字化等优点，在物理、化学、生物等领域中获得了广泛的应用,目前已成为荧光寿命成像和单分子荧光光谱等的主流研究方法，并在扩散光学层析、荧光相关光谱、时间分辨荧光显微等研究中获得了重要的应用。
TCSPC系统的核心是单光子探测器，单光子探测器的性能影响着TCSPC系统的测量精度，受单光子探测器内部电子渡越时间涨落限制，单光子探测器时间分辨一般在几十皮秒以上，时间分辨精度较低。如何进一步提高单光子探测器时间分辨精度，以满足更高时间分辨光子计数应用需求，是单光子探测技术发展亟待解决的技术难题。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中单光子探测器时间分辨精度较低的不足之处，而提供一种高时间分辨单光子探测方法及单光子探测系统。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种高时间分辨单光子探测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)入射光子经耦合后，获得一维光子信息；
2)对步骤1)所述一维光子信息进行光电转换，获得电子信号；
3)对步骤2)所述电子信号依次进行加速、聚焦后，在同步扫描偏转电压的作用下，实现电子高频偏转，并根据偏转灵敏度和同步扫描偏转电压的斜率确定时间空间转换系数；
4)将步骤3)偏转后的电子信号进行倍增，获得电子束信号；
5)对步骤4)所述电子束信号进行处理，获取电子束质心位置，并利用获取电子束质心位置时的精度以及步骤3)所述时间空间转换系数，将所述电子束质心位置转换，得到所述入射光子的到达时刻。
进一步地，步骤1)中，所述耦合通过沿光子入射方向依次设置的狭逢和镜头组件实现，镜头组件中的镜头根据性能不同，可选择1个或多个，只要能实现上述功能即可。
进一步地，步骤2)中，所述光电转换通过光阴极实现。
进一步地，步骤3)的具体步骤为：
步骤2)所述电子信号依次经加速电极加速、聚焦电极聚焦后，在加载有同步扫描电压的偏转电极作用下，实现电子高频偏转，并根据偏转灵敏度和同步扫描偏转电压的斜率确定时间空间转换系数；所述同步扫描电压由同步扫描电路提供。
进一步地，步骤4)中所述倍增通过MCP倍增器实现，可根据倍增比例选择双MCP或三MCP。
进一步地，步骤5)的具体步骤为：采用延时线阳极收集步骤4)所述电子束信号，将电子束信号进行预放大；对预放大后的信号进行恒定比例触发，输出标准数字电平信号；将标准数字电平信号转化成以时间表示的数字信号；对所述数字信号处理，获取电子束质心位置；并利用获取电子束质心位置时的精度以及步骤3)所述时间空间转换系数，将所述电子束质心位置转换为所述入射光子的到达时刻。
同时，本发明提供了一种实现上述高时间分辨单光子探测方法的单光子探测系统，其特殊之处在于：包括输入光学单元、单光子偏转单元、同步扫描电路、驱动电路以及读出单元；
所述单光子偏转单元包括沿光子入射方向依次设置光阴极、加速电极、聚焦电极、偏转电极、MCP倍增器以及位敏阳极；
所述同步扫描电路用于产生加载在所述偏转电极上的同步扫描偏转电压，即产生高频高压驱动信号，加载到偏转电极上，实现电子高频偏转；
所述驱动电路用于为光阴极、加速电极、聚焦电极、MCP倍增器以及位敏阳极提供驱动电压；
所述读出单元用于接收位敏阳极的输出信号，并对输出信号进行处理；
入射光子经输入光学单元耦合后，获得一维光子信息成像于光阴极上；光阴极将一维光子信息转换为电子信号，电子信号依次经加速电极加速、聚焦电极聚焦后，穿过加载有偏转电压的偏转电极，实现电子高频偏转，偏转后的电子信号经MCP倍增器倍增为电子束信号；位敏阳极收集电子束信号并输出，经读出单元处理，得到入射光子的到达时刻。
进一步地，所述输入光学单元包括沿光子入射方向依次设置的狭缝和镜头组件。
进一步地，为了实现电子高增益倍增，所述MCP倍增器由双MCP或三MCP构成，具体可根据倍增比例选择。
进一步地，所述位敏阳极为延时线阳极；
所述读出单元包括依次连接的预放大模块、恒比鉴别模块、时间数字转换模块以及数据处理模块；预放大模块用于实现延时线阳极输出信号的预放大；恒比鉴别模块用于对预放大后的信号进行恒定比例触发，输出标准数字电平信号；时间数字转换模块用于将标准数字电平信号转化成以时间表示的数字信号；数据处理模块用于对多路所述数字信号处理，得到电子束质心位置，并利用获取电子束质心位置的精度和所述时间空间转换系数，将所述电子束质心位置进行转换，得到所述入射光子的到达时刻。延时线阳极四个输出，因此，数据处理模块会对四路所述数字信号进行处理。
当然为了实现上述功能，也可使用其他阳极，读出单元随之做出相应的变化，与之匹配即可。
本发明的优点是：
1.本发明提取待测光子事件的一维光子信息，并通过将待测光子事件的时间信息先转换成空间信息，然后再根据时间空间转换系数转换得到光子的到达时刻，消除了电子倍增过程的时间弥散对探测器时间分辨的影响，提高了时间测量精度；且本发明具有一维光子信息获取能力，在宽光谱光子计数及荧光寿命成像方面更具优势。
2.本发明通过将光子到达时刻转换成空间位置信息，从而降低探测器渡越时间涨落及定时电路误差对系统时间分辨的影响，可以实现更高的光子计数测量精度，其时间分辨可以达到几皮秒。
3.本发明系统可以通过是否在偏转电极上加载偏转电压，进行两种工作模式切换，既可以工作在同步扫描模式下，也可工作在非扫描模式，同步扫描模式用于高时间分辨光子探测，非扫描模式用于常规光子探测，从而满足不同光子探测精度需求。
附图说明
图1为本发明单光子探测系统的结构示意图；
图2为本发明单光子探测的工作原理图；
图3为本发明中读出单元的示意图；
附图标记如下：
1-输入光学单元，11-狭逢，12-镜头组件，2-单光子偏转单元，21-光阴极，22-加速电极，23-聚焦电极，24-偏转电极，25-MCP倍增器，26-位敏阳极，3-同步扫描电路，4-驱动电路，5-读出单元，51-预放大模块，52-恒比鉴别模块，53-时间数字转换模块，54-数据处理模块。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
如图1所示，一种单光子探测系统，包括输入光学单元1、单光子偏转单元2、同步扫描电路3、驱动电路4以及读出单元5。
其中，输入光学单元1包括沿光子入射方向依次设置的狭缝和镜头组件12。
单光子偏转单元2包括沿光子入射方向依次设置光阴极21、加速电极22、聚焦电极23、偏转电极24、MCP倍增器25以及位敏阳极26；
同步扫描电路3采用现有的低晃动同步扫描电路3，用于产生具有同步触发、重复扫描以及低晃动特点的同步扫描偏转电压，加载在偏转电极24上，扫描偏转电压为随时间快速变化的电压，由PLL、射频放大器及变压器产生，扫描偏转电压加载在偏转电极24上，偏转板之间不同时刻达到的电子在不同的扫描电压场下，最后偏转到位敏阳极26不同的位置，从而实现光子到达时刻信息到空间位置信息的转换。
驱动电路4用于为光阴极21、加速电极22、聚焦电极23、MCP倍增器25以及位敏阳极26提供驱动电压。
读出单元5用于接收位敏阳极26的输出信号，并对输出信号进行处理。
入射光子经输入光学单元1耦合后，获得一维光子信息成像于光阴极21上；光阴极21将一维光子信息转换为电子信号，电子信号依次经加速电极22加速、聚焦电极23聚焦后，通过在偏转电极24上加载同步扫描偏转电压，将不同时刻的电子偏转倍增，在加速电场下轰击至具有空间分辨能力的位敏阳极26的不同位置，从而将待测光子的时间信息转换成空间信息，读数电路对位敏阳极26输出信号进行处理，获取电子束质心位置，根据单光子偏转单元的偏转灵敏度和同步扫描偏转电压的斜率确定时间空间转换系数，利用获取电子束质心位置的精度以及所述时间空间转换系数，将电子束质心位置转换为入射光子的到达时刻。
时间空间转换系数(即时间与空间的对应关系)由单光子偏转单元的偏转灵敏度和同步扫描偏转电压的斜率(即电压变化速率)确定，计算公式为：
k＝y/x
其中，k为时间空间转换系数，单位：ps/μm；
x为偏转电压的斜率，单位：v/ps；
y为电子偏转灵敏度，单位：v/μm。
在读出单元获取电子束质心位置时，存在一定的精度z(又称空间分辨率，单位为μm)，该精度是由位敏阳极以及读出单元确定，一般优于50μm。
那么,入射光子的到达时刻的计算公式为：
t＝zk
其中，t为入射光子的到达时刻，单位：ps；
k为时间空间转换系数，单位：ps/μm；
z为获取电子束质心位置时定的精度，单位：μm。
为了使上述单光子探测系统功能多样，位敏阳极26采用延时线阳极，与之相适配的读出单元5包括依次连接的预放大模块51、恒比鉴别模块52、时间数字转换模块53以及数据处理模块54，参见图3。
预放大模块51用于实现延时线阳极输出信号的预放大；恒比鉴别模块52用于对预放大后的信号进行恒定比例触发，输出标准数字电平信号；时间数字转换模块53用于将标准数字电平信号转化成以时间表示的数字信号；数据处理模块54用于对数字信号处理，得到电子束质心位置，并利用所述时间空间转换系数，将电子束质心位置进行转换，得到所述入射光子的到达时刻。
根据时间测量精度需求，单光子探测系统可工作于两种模式：
一种为同步扫描模式，该模式加载同步扫描偏转电压，利用同步扫描偏转电压将入射光子信息转换成空间信息，通过位敏阳极26获取空间信息，再通过获取空间信息的精度及时间空间转换系数，将空间信息转换为光子到达时刻，此种模式可提高单光子探测时间分辨能力，系统具有更高的时间分辨，时间信息转换成空间信息后，光子到达时刻的测量精度不再受制于电子倍增过程的时间弥散及读出单元5的定时精度，而是取决于时间空间转换系数、以及位敏阳极26的空间分辨能力；时间空间转换系数主要与同步扫描偏转电压相关，通过高稳定度、高扫描速度偏转电压及高分辨位敏阳极26可实现高时间分辨光子计数。并且在应用时，可通过调整加载在偏转电极24上的同步扫描电压的斜率，改变时间空间转换系数，获得不同的时间测量精度及测量范围，实现不同时间分辨的光子到达时刻测量，同步扫描电压的斜率越大，时间分辨的精度越高；该模式下单光子探测方法的原理如图2所示，包括以下步骤：
1)单光子事件比如：t1时刻、t2时刻依次经狭逢11及镜头组件12后，形成一维光子信息,图2中A段；
2)步骤1)所述一维光子信息经光阴极21光电转换后，获得电子信号，图2中B段；
3)步骤2)所述电子信号依次经加速电极22加速、聚焦电极23聚焦成像后，在加载由同步扫描偏转电压的偏转电极24作用下，实现电子高频同步偏转，并根据单光子偏转单元的灵敏度和同步扫描偏转电压的斜率确定时间空间转换系数，图2中C段；
4)将步骤3)偏转后的电子信号经MCP倍增器25倍增，获得电子束信号，图2中D段；
5)步骤4)所述电子束信号轰击延时线阳极，延时线阳极的输出信号经读出单元5，获取电子束质心位置(t1时刻与t2时刻的空间位置不同)，并利用获取电子束质心位置时的精度以及步骤3)所述时间空间转换系数，将所述电子束质心位置进行转换，得到所述入射光子的到达时刻，图2中E段。
另一种则为非扫描模式，该模式不用加载同步扫描偏转电压，此时系统等同于一维位敏阳极，不具有时空转换功能，系统光子计数功能通过后端读出单元实现(即可直接进行光子到达时刻测量)，测量范围较宽。
当然，也可采用其他类型的位敏阳极26，以及相适配的读出单元5。
由此，本发明不仅可实现高时间分辨的单光子探测，还可根据需求实现宽范围的单光子探测。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种高时间分辨单光子探测方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)入射光子经耦合后，获得一维光子信息；
2)对步骤1)所述一维光子信息进行光电转换，获得电子信号；
3)对步骤2)所述电子信号依次进行加速、聚焦后，在同步扫描偏转电压的作用下，实现电子高频偏转，并根据偏转灵敏度和同步扫描偏转电压的斜率确定时间空间转换系数；
4)将步骤3)偏转后的电子信号进行倍增，获得电子束信号；
5)对步骤4)所述电子束信号进行处理，获取电子束质心位置，并利用获取电子束质心位置时的精度以及步骤3)所述时间空间转换系数，将所述电子束质心位置转换，得到所述入射光子的到达时刻。
2.根据权利要求1所述高时间分辨单光子探测方法，其特征在于：
步骤1)中，所述耦合通过沿光子入射方向依次设置的狭逢(11)和镜头组件(12)实现。
3.根据权利要求2所述高时间分辨单光子探测方法，其特征在于：
步骤2)中，所述光电转换通过光阴极(21)实现。
4.根据权利要求3所述高时间分辨单光子探测方法，其特征在于，步骤3)的具体步骤为：
步骤2)所述电子信号依次经加速电极(22)加速、聚焦电极(23)聚焦后，在加载有同步扫描电压的偏转电极(24)作用下，实现电子高频偏转，并根据偏转灵敏度和同步扫描偏转电压的斜率确定时间空间转换系数；
所述同步扫描电压由同步扫描电路(3)提供。
5.根据权利要求4所述高时间分辨单光子探测方法，其特征在于：
步骤4)中所述倍增通过MCP倍增器(25)实现。
6.根据权利要求5所述高时间分辨单光子探测方法，其特征在于，步骤5)的具体步骤为：
采用延时线阳极收集步骤4)所述电子束信号，将电子束信号进行预放大；对预放大后的信号进行恒定比例触发，输出标准数字电平信号；将标准数字电平信号转化成以时间表示的数字信号；对所述数字信号处理，获取电子束质心位置；并利用获取电子束质心位置时的精度以及步骤3)所述时间空间转换系数，将所述电子束质心位置转换为所述入射光子的到达时刻。
7.一种实现权利要求1所述高时间分辨单光子探测方法的单光子探测系统，其特征在于：包括输入光学单元(1)、单光子偏转单元(2)、同步扫描电路(3)、驱动电路(4)以及读出单元(5)；
所述单光子偏转单元(2)包括沿光子入射方向依次设置光阴极(21)、加速电极(22)、聚焦电极(23)、偏转电极(24)、MCP倍增器(25)以及位敏阳极(26)；
所述同步扫描电路(3)用于为偏转电极(24)提供同步扫描偏转电压；
所述驱动电路(4)用于为光阴极(21)、加速电极(22)、聚焦电极(23)、MCP倍增器(25)以及位敏阳极(26)提供驱动电压；
所述读出单元(5)用于接收位敏阳极(26)的输出信号，并对输出信号进行处理；
入射光子经输入光学单元(1)耦合后，获得一维光子信息成像于光阴极(21)上；光阴极(21)将一维光子信息转换为电子信号，电子信号依次经加速电极(22)加速、聚焦电极(23)聚焦后，穿过加载有偏转电压的偏转电极(24)，实现电子高频偏转，偏转后的电子信号经MCP倍增器(25)倍增为电子束信号；位敏阳极(26)收集电子束信号并输出，经读出单元(5)处理，得到入射光子的到达时刻。
8.根据权利要求7所述的单光子探测系统，其特征在于：
所述输入光学单元(1)包括沿光子入射方向依次设置的狭缝和镜头组件(12)。
9.根据权利要求8所述的单光子探测系统，其特征在于：
所述MCP倍增器(25)由双MCP或三MCP构成。
10.根据权利要求9所述的单光子探测系统，其特征在于：
所述位敏阳极(26)为延时线阳极；
所述读出单元(5)包括依次连接的预放大模块(51)、恒比鉴别模块(52)、时间数字转换模块(53)以及数据处理模块(54)；
所述预放大模块(51)用于实现延时线阳极输出信号的预放大；
所述恒比鉴别模块(52)用于对预放大后的信号进行恒定比例触发，输出标准数字电平信号；
所述时间数字转换模块(53)用于将标准数字电平信号转化成以时间表示的数字信号；
所述数据处理模块(54)用于对所述数字信号处理，得到电子束质心位置，并利用获取电子束质心位置的精度和所述时间空间转换系数，将所述电子束质心位置转换，得到所述入射光子的到达时刻。
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