一种时间相关单光子计数系统及方法与流程

本技术属于光学测量，尤其涉及一种时间相关单光子计数系统及方法。

背景技术：

1、时间相关单光子计数（time-correlated single photon counting, tcspc）技术是一种广泛应用于荧光寿命测量、量子通信等领域的高精度时间测量技术。在数字tdc（time-to-digital converter）实现方式中，tcspc系统通常需要参考时钟信号、start信号和stop信号三种信号参与：以激光器触发信号作为start信号，以单光子探测器接收到光子的信号作为stop信号，通过记录start信号和stop信号相对于参考时钟的绝对时间，即tstart和tstop），并以tstart与tstop之差作为测量结果。

2、然而，传统tcspc系统长期受限于堆积效应（pile-up effect）的影响。为避免堆积失真，经典tcspc采集通道的计数率通常被严格限制在激光激发率的5%以下，每个激发周期平均记录的事件数一般低于0.05个光子。这是因为在一个光子事件发生后，探测器和电子设备存在数纳秒的死时间，在此期间无法处理其他事件，因此tcspc系统通常被设计为每个激发周期仅记录第一个到达的光子。此外，在实际测量中，由于激光器频率抖动、样品荧光寿命较长或光路传输延迟等原因，单光子探测器接收到的光子信号可能并非来自当前激光周期，而是来自前一周期甚至更早的周期。传统tcspc系统采用绝对计时方式（tstop-tstart），要求stop信号必须晚于start信号，当光子来自非当前周期时会出现负时间差，系统无法正确处理，只能将其丢弃。这种绝对计时方式进一步限制了系统的有效计数率，使得大量本可被采集的有效光子信号因周期归属模糊而被舍弃，导致采集效率低下。

技术实现思路

1、本技术实施例提供一种在时间相关单光子计数系统及方法，能够消除因跨周期光子导致的周期归属模糊，使来自非当前激光周期的光子信号能够被有效利用，并支持同一激光周期内多个光子事件的完整采集，从而提高光子计数效率。

2、第一方面，本技术实施例提供一种时间相关单光子计数系统，系统包括：

3、激光器，用于产生周期性脉冲激光，并输出激光同步信号；

4、探测器，用于接收光子并响应于光子产生光子探测信号；

5、处理器，分别与激光器和探测器通信连接，用于接收激光同步信号和光子探测信号；

6、所述处理器包括时间数字转换器和现场可编程门阵列；所述时间数字转换器用于基于内部的参考时钟，对所述激光同步信号生成第一绝对时间戳，对所述光子探测信号生成第二绝对时间戳；所述现场可编程门阵列与所述时间数字转换器连接，用于接收所述第一绝对时间戳和所述第二绝对时间戳，并对所述第二绝对时间戳相对于所述第一绝对时间戳的时间偏移进行周期归约处理，得到校准后时间值，根据所述校准后时间值生成所述时间分布数据。在一个可以实现的实施方式中，上述时间数字转换器包括时间数字转换器芯片和时钟芯片；

7、时钟芯片用于向时间数字转换器芯片提供参考时钟；

8、时间数字转换器芯片用于根据现场可编程门阵列的配置指令，对激光同步信号进行时间数字转换并输出第一绝对时间戳，对光子探测信号进行时间数字转换并输出第二绝对时间戳。

9、在一个可以实现的实施方式中，上述现场可编程门阵列包括现场可编程门阵列芯片；

10、现场可编程门阵列芯片与时间数字转换器连接，用于接收时间数字转换器输出的第一绝对时间戳和第二绝对时间戳，并对时间数字转换器进行配置；

11、现场可编程门阵列芯片还用于对第二绝对时间戳相对于第一绝对时间戳的时间偏移进行周期归约处理，得到校准后时间值，并根据校准后时间值生成时间分布数据。

12、在一个可以实现的实施方式中，上述处理器还包括：

13、信号采集电路，信号采集电路分别与激光器和探测器连接，用于获取激光同步信号和光子探测信号；

14、时间数字转换器与信号采集电路连接。

15、在一个可以实现的实施方式中，上述信号采集电路包括恒比鉴相器，用于对接收到的激光同步信号和光子探测信号进行脉冲捕获、整形和分频处理，得到预处理后的激光同步信号和预处理后的光子探测信号；

16、信号采集电路的输出端与时间数字转换器的输入端连接，用于将预处理后的激光同步信号和预处理后的光子探测信号，输出至时间数字转换器。

17、第二方面，本技术实施例提供了一种时间相关单光子计数方法，方法包括：

18、获取激光器输出的激光同步信号和探测器响应于光子输出的光子探测信号；

19、获取接收激光同步信号时的第一绝对时间戳，获取接收光子探测信号时的第二绝对时间戳；

20、对第二绝对时间戳相对于第一绝对时间戳的时间偏移进行周期归约处理，得到校准后时间值；

21、根据校准后时间值生成时间分布数据。

22、在一个可以实现的实施方式中，上述对第二绝对时间戳相对于第一绝对时间戳的时间偏移进行周期归约处理，得到校准后时间值，包括：

23、根据连续检测到的多个第一绝对时间戳，确定激光器的平均周期；

24、确定同一激光周期内第二绝对时间戳与第一绝对时间戳的时间差；

25、以时间差除以平均周期进行取余运算，得到时间差余数；

26、将平均周期减去时间差余数，得到校准后时间值。

27、在一个可以实现的实施方式中，在上述根据连续检测到的多个第一绝对时间戳确定激光器的平均周期之前，上述方法还包括：

28、判断激光器的工作频率是否稳定；

29、在激光器的工作频率在每秒内的抖动小于预设变化阈值的情况下，执行根据连续检测到的多个第一绝对时间戳确定激光器的平均周期的步骤。

30、在一个可以实现的实施方式中，在上述根据连续检测到的多个第一绝对时间戳确定激光器的平均周期之后，上述方法还包括：

31、对激光器的工作频率进行实时监测；

32、在工作频率发生变化时，更新激光器的平均周期。

33、在一个可以实现的实施方式中，上述根据校准后时间值生成时间分布数据，包括：

34、根据用户预设的分辨率对校准后时间值进行数值换算，得到换算后数值；分辨率为直方图时间轴上的单个通道的时间宽度；

35、根据换算后数值确定对应的通道，并在该通道上进行累加计数，形成分布直方图。

36、本技术实施例的时间相关单光子计数系统及方法，通过时间数字转换器内部的参考时钟生成的绝对时间戳标记激光同步信号和光子探测信号，并基于现场可编程门阵列，采用周期归约处理对光子探测信号相对于激光同步信号的时间偏移进行校准，将不同来源的光子事件映射至当前周期内的正确位置，从而消除了因跨周期光子导致的周期归属模糊，使得来自非当前周期的光子信号能够被有效利用；在此基础上，由于周期归属模糊被消除，系统无需再基于激光激发频率限制计数率，同一激光周期内到达的多个光子均可被逐一处理并正确归属，大幅提升了有效光子计数率和采集效率，能够在较短时间内获得准确的时间分布数据。