皮秒时间相关单光子计数光谱仪的核心技术

研制的皮秒时间相关单光子计数光谱仪利用时间相关单光子计数 (TCSPC)技术 ,采用了具有分光时间弥散动态和静态补偿特性的光栅分光系统 ,解决了传统分光系统的光信号时间弥散问题 ;使用多道谱分析仪开设时间窗口 ,测量荧光衰减曲线和时间分辨光谱 ;用荧光衰减曲线的多指数拟合方法处理数据。给出了光谱仪的原理和总体方案 ,介绍了系统的集成和工作流程。通过各种标准样品的试验数据分析和对比 ,得出系统所测荧光寿命可达到 ps量级 ,而且具有最高的灵敏度———单光子计数 ,时间分辨率达到 8 8ps。

基于时间相关单光子计数的荧光寿命成像技术

采用时域法中的时间相关单光子计数方法记录荧光寿命,时间相关单光子计数采用多波长通道同时记录荧光光子数,可以提高计数效率和信息量,还可以在稳态图像中分离不同荧光团,形成4维图像。并采用多光子激发技术,利用长波长光源发出的两个或多个光子可以激发出一个短波长的光子。多个光子必须几乎同时到达激发点,才能提供被激发分子足够的能量以产生荧光。多光子激发波长较长,生物组织对其散射减小,因而可以穿透到更深层的组织,从而提高荧光成像深度和空间分辨力,并减少对活体样品的损伤。

基于时间相关单光子计数的非接触式荧光层析成像系统

基于时间相关单光子计数(TCSPC)技术原理,研究了一套面向早期乳腺癌检测的时域荧光层析成像系统.系统采用非接触式空间光扫描测量方式,相对于传统的光纤接触式测量方法,可增大空间采样量、减小测量误差、提高空间分辨率.通过仿体实验对系统的成像质量进行了验证,结果表明:单目标仿体实验能较好地对荧光产率与寿命进行重建;在双目标仿体荧光产率的重建中,可有效对中心距为20 mm、边距为15 mm的目标体进行分辨,且对不同浓度荧光剂目标的重建具有较好的线性.实验结果证明系统应用于乳腺检测的可行性,进一步发展可有望应用于临床乳腺成像中.

时间相关单光子计数荧光寿命测量中数据获取和处理

本文介绍了时间相关单光子计数荧光寿命测量中的数据获取系统和数据分析方法。

时间相关单光子计数光谱仪的优化

分析了原有时间相关单光子计数光谱仪存在的不足,提出了改进方案。研制了高速数据采集系统,采用PCI总线技术、FPGA技术,开发了高速光谱数据采集卡,取代了原有的多道分析仪,数据采集速度达到20MB/s,比原有仪器提高了约200倍;改善了仪器的性能、减小了体积。介绍了光谱仪系统的集成和工作流程,并对仪器的性能进行分析,通过多种标准样品的试验数据分析和对比,光谱仪系统具有最高的灵敏度-单光子计数,测得荧光寿命可达到ps量级,而且可以测得时间分辨光谱。

基于偏振的时间相关单光子计数成像实验研究(特邀)

采用时间相关单光子计数技术的激光雷达具有更高的灵敏度,而利用偏振探测技术可以增加对目标的识别能力。搭建了基于偏振检测的时间相关单光子计数成像系统,对不同材质、相同和不同深度的目标进行了成像。结果表明,在单脉冲回波光子数0.04个的情况下,能够利用偏振探测方法获得目标回波的偏振信息,且对比强度图像和深度图像,偏振图像中目标的边缘更加清晰。

基于弹性变分模态提取的时间相关单光子计数信号去噪

单光子激光雷达的回波信号具有极低的信噪比,有效地消除噪声和提取出回波信号特征是提升单光子激光雷达测距精度的关键,变分模态分解算法需要使用者依据经验确定分解本征模态函数数量,不具有适用性和通用性.为此,本文基于时间相关单光子计数信号特点,提出了在变分模态分解中让信号按照指定频率进行聚类分解的变分约束条件,并采用弹性网回归重构不适定问题的求解模型,提出了弹性变分模态提取算法.实验结果表明,在波段850 nm、平均发射功率为25 nW、背景噪声平均功率为19.51μW的条件下,利用该方法,得到了时间相关单光子计数信号重建精度的均方根误差为1.414 ns.同时在不同的累积时间下,能够稳定且快速地提取出回波信号特征,有效地提高了算法的去噪能力和特征提取的性能.

IEC/TS 62607-3-3:2020《纳米制造-关键控制特性-第3-3部分:发光纳米材料-时间相关单光子计数(TCSPC)测定半导体量子点荧光寿命》标准解读

国际电工委员会技术规范IEC/TS 62607-3-3:2020《纳米制造-关键控制特性-第3-3部分:发光纳米材料-时间相关单光子计数(TCSPC)测定半导体量子点荧光寿命》于2020年9月24日正式发布实施,旨在帮助原材料制造商在研发新材料以及内部质量控制时提供测试材料性能的依据,有利于规范荧光寿命成像、荧光标记等技术,促进相关检测行业的规范化和快速发展。本文通过对该技术规范的制定背景、测试原理、主要技术内容等方面进行解读,以期为使用者理解和使用该文件提供帮助。

时间相关单光子计数记录快速荧光寿命图像(英文)

基于时间相关单光子计数(TCSPC)的荧光寿命成像(FLIM)的获取时间取决于成像的图像尺寸、样品寿命的精度及样品计数率.对于高密度荧光团样品,如染色组织或植物细胞,当前可用的样品计数率与TCSPC荧光寿命成像技术最高的计数率接近.该文描述了在高计数率下TCSPC性能,并估计计数损失及堆积效应.结果表明,整个体系的寿命误差比预料的要小.因此, TCSPC FLIM可在获取时间低于1s的情况下记录寿命图像.为增加FLIM时间序列记录,利用存储交换技术,在采集下一个光子期间读取正在记录的数据,使用两个平行TCSPC模块,可以每秒两幅图像记录荧光寿命时间序列.该技术可应用于活体植物组织叶绿素的瞬态测量.

多维时间相关单光子计数在生物医学中的应用(英文)

传统的时间相关单光子计数(Time-correlated single photon counting, TCSPC)受计数率低、一维测量和采集时间长的限制,难以在生物医学中的推广.评述TCSPC的机理和应用,指出TCSPC是探测周期光信号内的单个光子、测量光子探测时间以及构建信号周期内光子分布与时间关系的一种技术,具有多维光子采集特性,计数率近似当前可用的探测器容量.该技术可采集光子对波长和空间座标的分布,时间尺度在皮秒量级,在实验开始时可进行二次计数.多维TCSPC技术拥有近似于理想的计数效率,其时间分辨率仅受探测器渡越时间的离散限制.故TCSPC在生物医学光谱学中极具应用价值.典型应用包括,时域光学X线断层照相、记录生物系统内的瞬态现象、荧光寿命成像显微术、活细胞内荧光共振能量转移实验,以及用荧光关联谱探索染料-蛋白复合体.

一种对高速运动目标的单光子测距方法

作为一种前沿的激光探测技术,单光子激光测距技术已成功应用于月球测距、卫星测距和地面测高等领域。然而,单光子测距在机载空对空、地对空平台上对高速运动目标进行跟踪测距时,回波光子落在不同的时间窗,导致直接计数无法有效提取信号的问题仍需解决。针对空对空条件下单光子激光测距的应用需求,基于时间相关光子计数技术设计一种适用于全天时、宽时域、多噪声条件下对高速运动目标的单光子测距方法。该方法采用阵列单光子探测器和相邻时间窗相关统计多帧处理算法提取激光回波光子信号,并在Matlab平台上对算法进行仿真实验,使用多元阵列单光子探测器实现最大测程百公里以上、背景噪声计数率约为5 MHz、单脉冲回波光子计数平均值为1条件下的回波光子信号提取。该方法能够克服传统单光子探测只能对准静态目标测距,只能在小接收视场和小波门范围等弱背景噪声及目标轨迹可预测条件下应用的限制,将单光子探测由只能固定平台夜晚对准静态目标测距推广至通用平台全天时对高速运动目标测距。

基于单光子探测的光子计数光时域反射仪研究进展

基于光时域反射技术(Optical Time Domain Reflectometry, OTDR)的光纤分布式传感器可以实现对整个传感光纤空间可分辨的分布式测量,相比点式传感器具有极大的技术及应用成本优势。而传统的基于模拟探测的OTDR光纤分布式传感器在空间分辨率及动态范围上存在性能瓶颈。基于单光子探测的光子计数OTDR光纤分布式传感系统通过数字化的探测和记录方式,可以突破传统OTDR系统的性能极限。本文对光子计数OTDR系统技术及发展进行了综述,旨在通过本文的综述,明确基于单光子探测的光子计数OTDR系统的优势及限制,以及该技术的未来发展趋势,促进基于OTDR技术的光纤分布式传感器的进一步发展。

基于单光子雪崩二极管阵列的成像技术研究进展(特邀)

单光子雪崩二极管以其极高的光子灵敏度以及超快的响应时间在各领域被广泛应用。随着半导体技术的发展,集成多个像素以及时间测量电路的单光子雪崩二极管阵列逐渐普及。成像是一种以光子作为媒介获取目标物体信息的手段,基于单光子雪崩二极管的成像系统可以利用更丰富的光子计数以及光子时间信息实现极端环境下的目标探测。单光子雪崩二极管阵列具备并行采集光子信息的能力,进一步提高了光子信息的探测效率,能够替代传统单光子成像中单点探测器加扫描结构的探测体系,推动生物显微成像、散射成像以及非视域成像等技术的进步。本文梳理了单光子雪崩二极管阵列的发展历程以及技术趋势,按照是否需要光子时间信息分类介绍了单光子雪崩二极管阵列在成像方面的典型应用,结合应用分析了单光子雪崩二极管阵列相比于其他探测器的优势,对单光子雪崩二极管阵列的应用前景进行了展望。

时间分辨技术测量高散射介质光学参量

采用曲线拟合反演算法来恢复时间分辨系统中的真实光脉冲信号 ,从中可提取出介质光学参量 在模拟人体组织光学参量的模型介质试验中 ,利用时间相关的单光子计数系统测量光子的逸出曲线 。

多焦点多光子显微技术及其研究进展

多焦点多光子显微技术(multifocal multiphoton microscopy,MMM)提高了激发光能的利用率和成像速度,可以实现样品的三维快速多光子激发荧光显微成像,并具有对活体样品损伤小,成像深度大,图像深度大,图像信噪比高等优点。详细阐述了MMM的实现方法及其研究进展,包括同时时间和光谱分辨的MMM(simultaneous time- andspectrum-resolved multifocal multiphoton microscopy,STSR-MMM)基于时间相关单光子计数技术的MMM(multifocalmultiphoton microscopy based on time-correlated single photon counting,TCSPC-MMM)、基于随机扫描的MMM(stochastic scanning multifocal multiphoton microscopy,SS-MMM)、基于固定光路系统的变视场扫描的MMM等技术。

一种皮秒单光子计数光谱仪数据采集系统

针对皮秒时间相关单光子计数光谱仪中多道分析仪传输速率不高的情况,在荧光光谱测量中的多道定标技术的基础上,提出了采用 PCI 总线的数据采集卡改进方案。该方案以存储器中不同的地址作为测量中不同的道,将以 FPGA 实现的高速计数器按选定时间间隔的计数结果存入相应道中,存储器中数据经 PCI 总线读入内存并分析处理,从而取代原系统中的多道分析仪。实验结果显示,数据采集卡传输速率达到 20MB/s,比多道分析仪提高了 200 倍。

一种基于FPGA的改进型光子计数器

光子相关技术是一种有效的用于测量亚微米颗粒和纳米颗粒的粒径方法。此技术具有良好的应用前景及商业价值。为了得到准确的光子相关函数值,必须设计高效和准确的光子计数器。本文提出了改进型光子计数器的FPGA实现。使用的编程语言是Verilog HDL。软件设计和系统仿真的ISE集成环境中完成。实验表明,我们的工作是有效的。改进型计数器有要求设计简单,易于升级,精度高的特点。准确的光子计数器,可满足不同要求的光子相关。

基于SiPM和TCMPC的时间分辨拉曼散射测量技术研究

报道了一种基于硅光电信增管(SiPM)的时间相关多光子计数(TCMPC)技术并将其应用于时间分辨拉曼散射测量。相比于常规基于光电倍增管(PMT)或单光子雪崩二极管(SPAD)的时间相关单光子(TC-SPC)技术,由于SiPM可以分辨信号脉冲的具体光子数,基于SiPM的TCMPC技术消除了信号脉冲包含的光子数必须小于等于1的限制,光子计数效率提高了10倍以上,大大节省了测量时间。此外,多光子测量比单光子测量能够得到更好的时间分辨率,时间分辨拉曼散射系统的仪器响应函数(IRF)从单光子81.4ps缩短至双光子59.7ps,因而可以用更窄的时间门限抑制荧光本底等噪声对拉曼散射测量的影响。使用TC-MPC技术测量CCl_4在0.5和1.5p.e.两个不同光子数阈值的拉曼峰的峰本比,后者较高的光子数阈值能进一步降低SiPM暗计数噪声的影响,增加了拉曼信号测量的信噪比,测量得到的CCl_4459cm^(-1)拉曼峰的峰本比是前者的6.4倍。将所述新的拉曼散射测量技术与基于PMT和锁相放大器(LIA)的传统拉曼散射测量技术进行了比较研究,前者由于可以使用仅有数十皮秒的测量门限,可以有效抑制荧光、环境杂散光和SiPM暗计数等噪声的影响,所得光谱具有更好的峰本比,测得CCl_4的459cm^(-1)拉曼峰和Si的一阶拉曼峰的峰本比分别是后者的3.9倍和5.5倍。

一种基于光子计数激光雷达的去噪方法

光子计数激光雷达具有灵敏度高、时间分辨率好、功耗低的优点。在低信噪比的情况下,直接计算被测目标的距离会引入较大误差。分析了信号光子和噪声光子在时间相关性上的差异,提出了一种去噪方法。实验结果表明,该方法能够减小测距误差,改善成像质量。

基于时间相关单光子计数技术的密码芯片光辐射分析

密码芯片运行时的光辐射可泄露其操作和数据的重要特征信息.基于单光子探测技术,设计并构建了针对CMOS半导体集成电路芯片光辐射信号的采集、传输、处理和分析的光电实验系统.以AT89C52单片机作为实验对象,采用时间相关单光子计数技术,对不同工作电压下密码芯片的光辐射强度进行了对比,分析了芯片指令级光辐射信息的操作依赖性和数据依赖性.此外,使用示波器对时间相关单光子计数技术在芯片光辐射分析上的可行性进行了验证.实验结果表明,采用时间相关单光子计数技术对密码芯片进行光辐射分析,是一种直接有效的中低等代价光旁路分析攻击手段,对密码芯片的安全构成了严重的现实威胁.