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.

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。

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。

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。

基于单光子探测的LiDAR三维点云数据处理方法设计

针对移动曲面拟合法在处理三维点云数据时需要人为干预阈值的主要缺点,引入数学形态学的腐蚀运算,在处理采用TCSPC技术的机载激光测绘雷达获取的曲面目标物形成的三维点云数据的背景下,提出了"基于数学形态学改进的移动曲面拟合算法"。同时,为了提高数据利用效率,避免信息丢失,提出了"先去噪,再补点,后迭代"的去噪处理思想,在不降低数据密度的情况下,高效、稳健地进行噪声处理,在噪声水平为50%的情况下,总误差可以降至3.9%。

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。

单光子测距系统仿真及精度分析

单光子探测器和时间相关单光子计数技术(TCSPC)被广泛运用于脉冲式激光测距及三维成像系统中。分析影响探测精度的因素有助于提高测距系统的性能。为此,建立了基于TCSPC单光子测距系统的理论模型,讨论分析了影响测距系统测量精度的因素,主要包括激光脉冲强度和回波信号统计波形的脉宽,其中后者由激光脉宽和探测器的时间抖动决定。并且利用蒙特卡洛法对测距系统的探测过程进行仿真,得到了上述因素对测量精度的具体影响情况。最后搭建了单光子测距的实验室实验系统,经过实验在10 m处的测量精度达到4 mm,对相同参数下的仿真结果进行了验证。

基于时间分辨反射测量的混浊介质光学参数计算方法

发展了一种基于时间分辨反射测量技术的混浊介质光学参数重构方法.采用半无限空间扩散方程解析解卷积时间定标测量曲线获得模拟时间扩展曲线,将此与基于时间相关单光子计数技术实测的全时间分辨曲线进行归一化拟合;在对一个已知光学参数的定制模型验证的基础上,通过对4个参数未知的混浊介质进行测量,显示了方法的可行性和有效性.

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。

基于时间分辨方法的LicT蛋白荧光动力学特性

使用时间分辨荧光方法,结合紫外吸收光谱和稳态荧光光谱技术,测量了LicT蛋白中色氨酸残基的荧光动力学特性,进而对LicT蛋白质激活前后的局部微环境和结构变化进行了研究。LicT蛋白质的激活态使得有关糖类利用的基因转录过程继续进行,促进机体新陈代谢。通过色氨酸残基的荧光发射和寿命的差异判断出激活型蛋白AC 141和野生型蛋白Q 22不同的结构性质和微环境差异。在此基础上,通过衰减相关光谱(DAS)和时间分辨发射光谱(TRES)阐释了两种蛋白色氨酸残基和溶剂的相互作用,说明了激活型AC 141的比野生型Q 22的结构更加紧密。此外,TRES还说明了蛋白中的色氨酸残基存在连续光谱弛豫过程。各向异性结果则对残基和整个蛋白的构象运动进行了阐述,说明了色氨酸残基在蛋白质体系内有独立的局部运动,且在激活型蛋白中该运动更加强烈。

皮秒时间相关单光子计数光谱仪的研制

研制的皮秒时间相关单光子计数(TCSPC)光谱仪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,利用多道谱分析仪开设时间窗口,测量时间分辨光谱。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,得出系统具有最高的灵敏度—单光子计数,时间分辨率达到8.8ps。