[发明专利]一种光子序列到达时间的连续测量装置及方法

说明书

技术领域

本发明提出一种光子序列到达时间的测量方法，涉及单光子探测技术，时间相关单光子计数技术和时间测量技术等领域。

背景技术

光子序列到达时间的测量不仅在量子光学、量子成像、脉冲星导航、高能物理等基础研究领域有重要的应用，在深空探测、激光测距、荧光寿命测量等应用领域有着极其广泛的应用。

目前报道的多个光子到达时间的测量的技术是时间相关单光子计数技术(time-correlated single photon counting，TCSPC)，其原理是，在记录低强度，周期性的光脉冲信号时，当探测到光子时，记录在光脉冲信号周期内光子的到达时间，每探测到一个光子，就在对应得存储器单元中加一，存储器的存储单元的地址与探测时间对应。多次重复上述过程，记录多个光子后，存储器的各单元的光子数分布就对应光脉冲的波形，时间测量模块一般采用TAC-ADC(时间幅度转换器和模数转换器)模块或TDC(时间数字转换器)模块。

时间相关单光子计数技术存在的问题，一是不能连续测量到达光子序列相对于同一起始点的时间和无法记录周期信号内出现多个光子的情况。二是测量范围有限，虽然TAC-ADC或TDC有非常高的时间测量精度以达到皮秒量级，但测量范围有限，最大测量范围为几百个微妙。如ACAM公司TDC芯片的TDC-GPX可以达到10皮秒的时间精度。但测量范围为1微秒。三是应用范围有限，多用在记录低强度，高重复频率的脉冲信号。如荧光寿命测量，荧光光谱测量，荧光显微等。

发明内容

为了解决现有的光子序列到达时间的测量装置不能连续测量、测量范围窄、应用范围有限的技术问题，本发明针对所存在的技术问题提出一种光子序列到达时间的连续测量装置及方法，具体解决方案如下：

一种光子序列到达时间的连续测量装置，其特殊之处在于：包括单光子探测器、前置放大器、恒比鉴别器CFD、原子钟、计数器、时间数字转换器TDC、控制器、存储单元、时钟驱动单元以及计算机，

所述单光子探测器输出单光子脉冲经过前置放大器进入恒比鉴别器CFD输出数字脉冲信号，所述恒比鉴别器CFD输出端与控制器连接，

所述原子钟输出的方波脉冲送入计数器作为计数器的计数对象，所述原子钟输出的方波脉冲送入时间数字转换器TDC，该方波脉冲的上升沿作为时间数字转换器的起始信号，

所述恒比鉴别器输出数字脉冲信号送入时间数字转换器TDC，该数字脉冲信号的上升沿作为时间数字转换器的停止信号，

所述控制器的控制端分别与计数器、数字转换器以及存储单元连接，用于控制计数器中的粗测时间和时间数字转换器TDC缓存中的细测时间在控制器接收到恒比鉴别器输出信号的上升沿时，同步存入存储单元，

所述时钟驱动单元驱动计数器、数字转换器TDC、控制器以及存储单元协同工作，

所述存储单元中存储的粗测时间和细测时间送入计算机。

上述存储单元包括第一存储器和第二存储器，所述控制器还可控制第一存储器和第二存储器间的相互切换。

上述时钟驱动单元包括石英晶振和倍频电路，所述石英晶振经过倍频电路处理后输出时钟信号。

上述所述第一存储器和第二存储器为先进先出存储器。

上述原子钟为铷原子钟、铯原子钟或氢原子钟；单光子探测器是光电倍增管PMT、微通道板(MCP)或雪崩光电二极管(APD)。

一种光子序列到达时间的连续测量方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】确定光子序列的到达时间测量的起始点

通过外部触发，输入与原子钟输入脉冲上升沿同步的开始测量信号RESTART。开始测量信号RESTART的上升沿对计数器和时间数字转换器复位清零，开始测量信号RESTART的上升沿为光子序列中所有光子到达时间的起始时刻；

2】产生光子序列中各光子到达的定时信号；

2.1】由时钟驱动单元产生时钟信号驱动计数器、数字转换器(TDC)、控制器以及存储器协同工作；

2.2】恒比鉴别器产生光子到达的定时信号：

2.2.1】由一系列离散的光子序列组成的入射光入射单光子探测器，当单光子探测器探测到一个光子时，单光子探测器输出一个电子脉冲信号；

2.2.2】单光子探测器输出的电子脉冲信号经过前置放大器放大后进入恒比鉴别器(CFD)；

2.2.3】恒比鉴别器(CFD)将前置放大器输出的电子脉冲信号的上升沿作为单光子达到的定时点，产生数字触发脉冲信号作为单光子达到定时信号；

3】测量粗测时间T和细测时间t

3.1】记录光子到达的粗测时间：