tdc及tcspc的技術原理-TCSPC高精度時間相關單光子計數模塊

TDC技術和TCSPC技術都是用來進行時間測量的技術手段，雖然應用范圍大致相同，但是原理卻不同。

TDC原理如右圖所示。來自單光子探測器的光電子信號脈沖和來自激光器的參考脈沖輸入到延遲鏈中。時序邏輯查看延遲鏈中的數據，識別單光子和及激光脈沖的開始-停止對，并以此方式確定單光子在激光脈沖序列中的時間位置。然后，可以根據這些數據，建立通常的TCSPC/FLIM光子分布。

TCSPC技術所基于的原理是：在記錄低強度、高重復頻率的脈沖信號時，由于光強很低，以至于在一個信號周期內探測到一個光子的概率遠遠小于1。因此，沒有必要考慮在一個信號周期內探測到幾個光子的情形。只要記錄這些光子，測量它們在信號周期內的時間，并建立光子時間分布的直方圖就足夠了。TCSPC技術的基本原理如圖所示。

探測器的輸出信號是對應于探測到單個光子的隨機分布的脈沖序列。一般情況下，一個信號周期內探測到多于一個光子的幾率是很小的，有些信號周期會探測到一個光子，也有許多信號周期沒有檢測到光子。當探測到一個光子時，就可以在信號周期內測得與探測器脈沖對應的時間。每記錄一次這樣的事件（光子），就在對應的存儲單元中加“1”，該存儲單元的地址與探測時間對應。在記錄了許多光子之后，就可以根據存儲器中各個單元的光子數，得到探測時間的分布，即光脈沖的波形。乍看起來其原理雖然有點復雜，但TCSPC在記錄光子信號時，其時間分辨率非常高，探測效率接近于理想。

TCSPC可以高精度地測量出單個光子脈沖的時間，因此，光子計數實驗中的帶寬僅僅受到探測器輸出脈沖的渡越時間漲落（transit time spread，TTS）的限制，而不受單電子脈沖（single electron response，SER）寬度的限制。由于探測器單光子脈沖的TTS通常比其SER要窄一個數量級，因此對特定的探測器，TCSPC技術可以獲得比任何一種模擬記錄技術更高的時間分辨率。

所以對于時間分辨率（時間精度）這個重要參數，TCSPC比TDC更容易實現高分辨率技術。

上海昊量光電推出的高分辨率多通道的時間相關單光子計數TCSPC模塊——quTAG。quTAG是一款高端、易于使用的時間數字轉換器和時間標記器件，專為時間相關單光子計數（TCSPC）而設計。與其他同類產品相比，在相同的時間精度下，quTAG擁有更多的stop通道數；在相同的時間精度和通道數下，quTAG能實現更低的抖動。其性價比高，應用領域廣泛，是時間相關單光子計數器中的明星產品。這款時間相關單光子計數器，時間精度為1ps，時間抖動最低<2.3 ps，最高可達32個stop通道，每通道最高計數率可達100MHz，并可同步10臺設備。更是有不同的型號供挑選，來滿足不同的應用需求。

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時間相關單光子計數器quTAG的應用軟件功能模塊不僅有計數，時間符合窗口，直方圖模塊；還有Detecter Parameters模塊可對每個通道進行調節；更有二階相干性模塊以及Life time模塊來進行相關研究的數據處理及呈現，如下圖：

并且所有 quTAG都含有軟件包，該軟件包具有易于使用的 GUI 和強大的 API，可以通過外部軟件例程(如 C、Python、LabView 和 Matlab)控制所有功能，支持二次軟件開發。所有的功能都包含在軟件包中，你可以直接獲得時間戳或者以簡單的文件格式保存到你的硬盤，供您自己的分析軟件進行后續處理。該軟件適用于32 位和 64 位的Windows 和 Linux。

基于硬件的性能和軟件的功能，quTAG的在皮秒時間測量的應用范圍非常廣泛，是粒子物理、生物、量子光學、距離修正等領域的不二利器！

我們喜歡挑戰！如果您需要quTAG高精度時間相關單光子計數器的二次程序開發，如互相關算法等，我們可以為您提供支持，讓您的研究因quTAG事半功倍!

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審核編輯黃昊宇