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。

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。

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.

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。

计数率和分辨时间对光场统计性质测量的影响——基于单光子探测器测量的实验分析

对光子统计性质的测量是获得量子态光场非经典特性的重要手段。目前，效率很高的“数字化”单光子计数模块（Single-Photon-Counting Module，简称SPCM，包括信号提取和电子放大部分）已经被广泛应用。本文利用工作在盖革模式下的单光子探测器，分别采用单个探测器直接对光子计数的方法，以及由两个探测器组成的传统HBT方案，对相干光场及热光场的统计性质进行了测量和分析。通过改变计数率，调整分辨时间等，系统地研究了光场二阶相干度受实验条件的影响。结果表明，采取不同的方法对光场统计性质的测量时，不同的计数率和时间分辨率对测量结果都会构成影响。实验表明，在综合考虑系统中的各种因素对测量影响的情况下，通过选择合适的测试条件（单探测器直接测量，计数率为109kc／s，分辨时间范围为28ns-212ns；双探测器测量，计数率为50kc／s，分辨时间为32ns），采用两种方法，均能够揭示相干光场和热光场不同的光子统计性质。

单光子激光雷达的时间相关多深度估计

单光子激光雷达广泛应用于获得三维场景的深度和强度信息。对于多表面目标,如激光经过半透明表面上时,一个像素上探测到的回波信号可能包含多个峰。传统方法在低光子或相对较高的背景噪声水平下无法准确估计多深度图像。因此,提出了一种单光子激光雷达时间相关多深度估计方法。该方法利用信号响应的时间相关性,对点云数据进行多深度快速去噪,能够从背景噪声中识别每个像素上来自多个表面的信号响应。并基于该信号响应集合的泊松分布模型,通过全变分正则化引入像素之间的空间相关性,建立多深度估计成本函数。使用快速收敛的交替方向乘子算法从成本函数中估计深度图像。实验结果表明,所提方法在距离约为1 km处的多深度目标上,相较于常规方法估计深度图像的均方根误差减少了至少27.05%,信号重建误差比提高了至少18.39%,同时数据量减少至原来的4%。证明该方法能够以更小的内存需求和计算复杂度提高单光子激光雷达的多深度图像估计性能。

乙肝相关慢加急性肝衰竭患者6个月预后影响因素分析及模型构建

目的分析乙肝相关慢加急性肝衰竭(Hepatitis B virus associated chronic acute liver failure,HBV-ACLF)患者6个月预后影响因素及预后模型的建立。方法以2017年5月-2022年5月新疆医科大学第一附属医院感染中心收治的131例HBV-ACLF患者为研究对象。随访6个月,根据患者预后结果分为死亡组(n=60)和存活组(n=71)。收集患者血常规、肝功能、肾功能及血气指标,采用Logistics回归分析筛选影响HBV-ACLF患者6个月预后的因素,并将筛选的因素使用R 4.3.0软件进行绘制列线图预测模型,绘制校准曲线和受试者工作特征曲线(Receiver operating characteristic,ROC)拟合度及预测效能评估,根据决策曲线评估预测模型的临床适用性。结果二元Logistics回归分析发现,血小板计数、白蛋白及凝血酶原时间是影响HBVACLF患者6个月预后的重要因素,建立的预后模型区分度和校准能力较好。自发性腹膜炎在存活组和死亡组HBV-ACLF患者并发症中占比均最高。结论通过白蛋白,血小板计数和凝血酶原时间建立的预测模型对HBV-ACLF患者6个月预后有较好的预测价值。

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。

高速红外单光子探测器计数系统设计

采用InGaAs/InP雪崩光电二极管(APD)作为红外波段单光子探测器件。介绍了红外单光子探测的工作原理,比较了探测器各部分工作速率;设计了一套高速的光子计数系统,其采用单片机STC11F08作为计数器,ADS830E为模数转换器。计数系统获取信号数据后,利用数字甄别技术进行判断光子数。计数系统最大计数速率为100KHz。

ID-201单光子计数器计数模型研究

InGaAs半导体单光子探测器具备探测性能强,集成度高等优势,在光谱分析和量子通信等领域有广泛的应用.本文以ID Quantique公司出品的ID-201半导体单光子计数器为研究对象,结合计数器核心部件雪崩光电二极管的工作原理探究其计数光子时的内部过程,推导出每秒钟光子计数值和该计数器几个重要参数触发频率(trigger frequency),门脉冲宽度(gate width),门强制关闭时间(dead time),探测效率(detection efficiency)之间的数学表达式.推导过程着重分析了计数门脉冲的关闭效应对光子探测概率的影响.首先利用泊松分布求解光子计数值与探测效率(detection efficiency)之间的关系,然后将计数过程分成两大部分,分析计数结果与门强制关闭时间(dead time)之间关系.求解得表达式后,利用1550nm激光器作为ID-201的输入光源,在各种不同实验条件下,对该表达式的正确性进行了检验.

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。