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TDC及TCSPC的技术原理-TCSPC高精度时间相关单光子计数模块

时间:2022-12-02 点击次数:289

tdc及tcspc的技术原理-TCSPC高精度时间相关单光子计数模块


TDC技术和TCSPC技术都是用来进行时间测量的技术手段,虽然应用范围大致相同,但是原理却不同。


TDC原理如右图所示。来自单光子探测器的光电子信号脉冲和来自激光器的参考脉冲输入到延迟链中。时序逻辑查看延迟链中的数据,识别单光子和及激光脉冲的开始-停止对,并以此方式确定单光子在激光脉冲序列中的时间位置。然后,可以根据这些数据,建立通常的TCSPC/FLIM光子分布。



TCSPC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技术的基本原理如图所示。



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。一般情况下,一个信号周期内探测到多于一个光子的几率是很小的,有些信号周期会探测到一个光子,也有许多信号周期没有检测到光子。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中加“1",该存储单元的地址与探测时间对应。在记录了许多光子之后,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。乍看起来其原理虽然有点复杂,但TCSPC在记录光子信号时,其时间分辨率非常高,探测效率接近于理想。


TCSPC可以高精度地测量出单个光子脉冲的时间,因此,光子计数实验中的带宽仅仅受到探测器输出脉冲的渡越时间涨落(transit time spread,TTS)的限制,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,因此对特定的探测器,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。

所以对于时间分辨率(时间精度)这个重要参数,TCSPC比TDC更容易实现高分辨率技术。


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