CN102141772A - 一种光子序列到达时间的连续测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光子序列到达时间的连续测量装置及方法，包括单光子探测器、前置放大器、恒比鉴别器、原子钟、计数器、时间数字转换器、控制器、存储单元以及计算机，恒比鉴别器输出端与控制器连接，原子钟输出的方波脉冲为计数器的计数对象，方波脉冲送入时间数字转换器，方波脉冲的上升沿为时间数字转换器的起始信号，数字脉冲信号的上升沿为时间数字转换器的停止信号，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，用于控制粗测时间和细测时间同步存入存储单元。本发明解决了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，本发明测量范围宽、光子到达时间测量的精度高。

Description

一种光子序列到达时间的连续测量装置及方法

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：

3.1.1】原子钟输出方波脉冲，在开始测量后，RESTART信号的上升沿对计数器清零，计数器从零开始对原子钟输出的脉冲信号进行计数；RESTART信号的上升沿为所有光子到达粗测时间的共同起始时间。

3.1.2】控制器收到恒比鉴别器(CFD)发送的单光子达到定时信号的上升沿时，驱动计数器输出计数值并存储至存储器中，单光子达到定时信号脉冲的上升沿作为该光子粗测时间的停止时间，此时计数器输出的计数值即为光子到达的粗测时间；

3.2】记录光子到达的细测时间：

3.2.1】原子钟输出方波脉冲到达时，方波脉冲的上升沿触发数字转换器(TDC)的开始(start)信号，作为细测时间的起始信号。

3.2.2】当恒比鉴别器(CFD)输出的单光子定时信号到达时，单光子定时信号的上升沿触发数字转换器(TDC)停止(stop)信号，作为细测时间的停止信号；

3.2.3】收到停止信号后，数字转换器把开始信号和停止信号之间的时间间隔转化为数字量并存至数字转换器(TDC)内部的缓存中，同时，控制器收到恒比鉴别器(CFD)发送的单光子达到定时信号后，驱动数字转换器(TDC)输出数字量值，存储至存储单元中，此时存储单元中的数字量即为光子到达的细测时间；

4】计算光子序列中各光子的到达时间：

粗测时间＝计数值×原子钟输出脉冲的周期；

细测时间＝数字量×数字转换器TDC的精度：

光子达到的时间＝粗测时间+细测时间。

上述连续测量方法还包括存储器的切换步骤，具体为：

第一存储器开始存储光子序列的粗测时间和细测时间，当第一存储器已满时，控制器将第一存储器切换到第二存储器开始记录，同时并行地将第一存储器的数据通过计算机接口读出到计算机内存或硬盘上；

当第二存储器已满时，控制器将第二存储器切换到第一存储器开始记录，同时并行地将第二存储器的数据通过计算机接口读出到计算机内存或硬盘上。

上述步骤3】是循环进行的。

上述时钟驱动单元为石英晶振经过倍频处理。

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)。

本发明所具有的优点：

1、光子到达时间的测量范围宽：本发明采用粗时间测量和细时间测量相结合的方法，扩展光子到达时间的测量范围。通过对原子钟输出的高稳定脉冲进行计数，来测量光子到达的粗时间，具有非常高的稳定度，克服长时间采集带来的漂移。采用TDC来测量光子到达的定时脉冲与原子钟最近输出脉冲的时间间隔作为光子到达的细时间，细时间的测量具有非常高的精度。原子钟输出的频率一般较低(如铷原子钟有1M、5M或10M三种输出)，如果计数器设置为36位，通过对1M的铷原子钟输出脉冲进行计数，测量范围可达19.09个小时。

2、光子到达时间测量的精度高：TDC时间间隔测量具有非常高的时间精度。目前商用TDC，如ACAM公司的TDC-GPX可以达到10皮秒的时间精度。用FPGA实现的TDC也可以实现几十皮秒的精度。因此细时间的测量精度非常高。由于原子钟输出的频率稳定度非常高，因此粗测时间可以达到非常高的测量精度。因此最后光子到达时间的测量精度也可以达到皮秒量级。

3、光子到达时间测量的稳定性高：原子钟主要有铷原子、铯原子钟和氢原子钟等，原子钟具有非常高的稳定度，一般在频率稳定度在10^-11左右，可以克服长时间采集的漂移。

4、连续、无限的光子到达时间测量：通过控制器对计数器和TDC内数据缓存的读取和两个先进先出存储器进行切换等操作，实现连续的，无限的光子序列到达时间的测量。

5、高速数据处理：石英晶振经过倍频后，产生高频率的时钟，驱动计数器、TDC、控制器和存储器协同工作，实现高速的数据流，提高计数率。

6、本发明通过通信接口将存储器中的数据读取到计算机，然后进行存储和处理，得到光子序列中各光子的到达时间。

附图说明

图1为本发明光子序列到达时间的连续测量装置的结构示意图；

图2为本发明时序图。

具体实施方式

本发明的目的是提出一种光子序列到达时间高精度、连续测量的方法。光子到达时间测量范围宽的同时，实现对光子序列中各光子到达时间高精度、连续不间断测量，克服现有时间相关单光子计数技术中，光子到达时间测量范围窄，不能实现连续测量等方面的不足。通过对光子序列中各光子到达时间的数据处理，可以获得入射光的多种信息，包括光强随时间变化的性质，光子分布的性质等。因此本发明在量子光学，脉冲星导航等基础研究中有重要的应用。本发明除了用于光子序列到达时间的测量外，使用不同的探测器，还可以实现高能光子、电子、带电粒子等粒子流到达时间的连续，高精度测量。因此本发明可以用于高能物理，深空探测、光谱测量和生物发光探测等领域。

本发明提出光子序列到达时间的连续测量方法，该方法如图1所示，由单光子探测器，前置放大器，恒比鉴别器(CFD)，原子钟，(时间数字转换器)TDC，石英晶振、倍频器，控制器、计数器、第一存储器、第二存储器、计算机通信接口和计算机构成。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，恒比鉴别器(CFD)输出端与控制器连接，原子钟输出的脉冲信号为计数器的计数对象，原子钟输出的方波脉冲的上升沿为时间数字转换器(TDC)起始信号，恒比鉴别器输出数字脉冲信号的上升沿为时间数字转换器(TDC)的停止信号，控制器接收到恒比鉴别器输出信号的上升沿时控制计数器中粗测时间和时间数字转换器(TDC)缓存中细测时间同步存入存储单元，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快速协同工作，存储单元中的粗测时间和细测时间通过计算机输出。

单光子探测器输出单光子脉冲，经过前置放大器后，进入恒比鉴别器(CFD)，CFD选择在脉冲幅度的某处产生作为定时点，输出的光子到达的定时信号脉冲。光子到达时间的测量采用粗时间测量和细时间测量相结合的方法。通过对原子钟的输出的高频率稳定度的周期性脉冲进行计数来测量光子到达的粗时间。采用TDC来测量光子到达的定时脉冲和原子钟最近输出脉冲的时间间隔作为光子到达的细时间。控制器把计数器中的粗测时间和TDC缓存中的细测时间，同步存入先进先出存储单元，存储单元采用两个存储器切换的方式实现，实现连续、无限记录光子序列的粗时间和细时间。石英晶振经过倍频后，产生高频率的时钟，驱动计数器、TDC、控制器和存储器等快速协同工作，实现高速的数据流。通过通信接口将存储器中的数据读取到计算机，然后进行存储和处理，得到光子序列中各光子的到达时间。

本发明还提供一种光子序列到达时间的连续测量方法：具体步骤如下：

1)开始测量，确定光子序列的到达时间测量的起始点

在要开始测量时，通过手动触发或外部触发，引入与原子钟输入脉冲上升沿同步的开始测量命令的RESTART信号。RESTART信号的上升沿对计数器和时间数字转换器复位清零，RESTART信号的上升沿为光子序列中所有光子到达时间的共同起始时刻。

2】产生光子到达的定时信号

在射光非常微弱时，入射光可以看作一系列离散的光子序列，当探测到的一个光子时，单光子探测器输出一个电子脉冲，每个脉冲代表探测到一个光子，由于探测器直接输出的电子脉冲幅度非常小，因此采用前置放大器将信号放大，然后进入恒比鉴别器CFD，恒比鉴别器CFD的作用是选择在电子脉冲上的某处作为定时点，产生数字触发脉冲。该触发脉冲作为单光子到达定时信号，其上升沿代表光子到达的时间。恒比鉴别器CFD在脉冲幅度比值恒定时触发，避免了探测器直接输出电子脉冲幅度抖动引起的定时误差。

单光子探测器可以采用光电倍增管PMT，微通道板MCP，雪崩光电二极管APD等，恒比鉴别器CFD一般在高能物理中应用较多，商用恒比鉴别器CFD如ORTECT公司的CFD85

3】记录光子到达的粗测时间。

采用原子钟(如铷原子钟，铯原子钟，氢原子钟)输出高频率稳定度的周期性方波脉冲，在开始测量后，RESTART信号的上升沿对计数器清零，计数器对原子钟输出的脉冲从零开始进行计数。当探测到光子时，步骤一中产生的光子到达定时信号触发计数器输出计数值到第一存储器或第二存储器。计数器输出的计数值就代表光子到达的粗测时间。

计数器的位数决定着粗测时间的测量范围，铷原子钟有1M，5M或10M三种频率输出，如果计数器设置为36位，通过对1M的铷原子钟输出脉冲进行计数，测量范围可达19.09个小时。原子钟输出的频率稳定度非常高，如商用铷原子钟，频率稳定度可以达到10^-11。即300年约相差1秒。因此粗测时间可以达到非常高的测量精度。因此用较少的数据量，精确记录长时间的测量范围，提高了计数率。

4】记录光子到达的细测时间。

TDC可高精度地测量起始START信号与停止STOP信号间的时间间隔。本发明采用时间数字转换器TDC来测量光子到达的细时间，具体方法是原子钟输出的脉冲作为时间数字转换器TDC的起始START信号，单光子到达定时信号作为STOP信号。探测到光子时，步骤一中产生的光子到达定时信号触发TDC的STOP，此时TDC的START信号为单光子到达定时信号之前，原子钟输出的最近输出的脉冲，时间数字转换器将开始信号和停止信号间的时间间隔转化为数字量并存储在TDC内部的缓存中，该数字量代表了光子到达的细测时间。

TDC可以采用商业用的TDC芯片，如ACAM公司的TDC-GPX，它工作在M模式时间精度可以达到10皮秒。测量范围为0～10微秒，TDC也可以采用FPGA实现，精度可达到几十皮秒。

5】连续、无限记录光子序列的粗测时间和细测时间。

探测到光子时，步骤一中产生的光子到达定时信号触发控制器，控制器在每收到一个光子到达定时信号脉冲的上升沿，就把计数器中代表粗测时间值的数字量和TDC缓存中代表细测时间值得数字量同步存入现进先出存储器，存储器采用第一存储器和第二存储器切换方式实现无限记录。具体方法是从当探测到光子时，第一存储器开始存储光子序列的粗测时间和细测时间，当第一存储器已满时，控制器切换到第二存储器开始记录，同时并行地将第一存储器的数据通过计算机接口读出到计算机内存或硬盘上。同理第二存储器已满时，控制器切换到第一存储器开始记录，同时并行地将第二存储器的数据通过计算机接口读出到计算机内存或硬盘上。计算机或硬盘有足够的空间来存储数据。

6】加速数据流

将石英晶振经过倍频后，作为驱动时钟，驱动计数器、TDC、控制器、先进先出存储器，提高步骤二到步骤四的处理速度，加速数据流，提高计数率。如50M频率的石英晶振经过4倍频后可达200M的时钟输出，由于读取计数器的粗时间值和TDC中缓存的细时间值、并存到先进先出存储器只需2个时钟周期。因此本发明可以达到100M的计数率。

对晶振信号的倍频一般可以采用FPGA芯片内部的模块实现，不同的厂家的FPGA实现的倍频机制不尽相同，如Xinlinx公司的FPGA芯片用内部的DCM(数字时钟管理)模块来实现倍频。Altera公司的FPGA采用PLL(锁相环)来实现倍频。

7】计算光子序列中各光子的到达时间

粗测时间＝计数值×原子钟输出脉冲的周期

细测时间＝TDC缓存中的值×TDC的精度

光子达到的时间＝粗测时间+细测时间

计算机软件实时处理所读取的数据，并利用以上关系，计算出光子序列中各光子的到达时间。

通过对光子序列中各光子到达时间的数据处理，可以获得入射光的多种信息，包括光强随时间变化的性质，光子分布的性质等。因此本发明在量子光学，量子通信等基础研究中有重要的应用。本发明除了用于光子序列到达时间的测量外，使用不同的探测器，还可以实现高能光子、电子、带电粒子等粒子流到达时间的连续，高精度测量。因此本发明可以用于高能物理，深空探测、光谱测量和生物发光探测等领域。

Claims (10)

1.一种光子序列到达时间的连续测量装置，其特征在于：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。

2.根据权利要求1所述的光子序列到达时间的连续测量装置，其特征在于：

所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。

3.根据权利要求1或2所述的光子序列到达时间的连续测量装置，其特征在于：所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。

4.根据权利要求3所述的光子序列到达时间的连续测量装置，其特征在于：所述所述第一存储器和第二存储器为先进先出存储器。

5.根据权利要求4所述的光子序列到达时间的连续测量装置，其特征在于：所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)。

6.一种光子序列到达时间的连续测量方法，其特征在于：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：

3.1.1】原子钟输出方波脉冲，在开始测量后，开始测量信号(RESTART)的上升沿对计数器清零，计数器从零开始对原子钟输出的脉冲信号进行计数；RESTART信号的上升沿为所有光子到达粗测时间的共同起始时间。

3.1.2】控制器收到恒比鉴别器(CFD)发送的单光子达到定时信号的上升沿时，驱动计数器输出计数值并存储至存储器中，单光子达到定时信号脉冲的上升沿作为该光子粗测时间的停止时间，此时计数器输出的计数值即为光子到达的粗测时间；

3.2】记录光子到达的细测时间：

3.2.1】原子钟输出方波脉冲到达时，方波脉冲的上升沿触发数字转换器(TDC)的开始(start)信号，作为细测时间的起始信号。

3.2.2】当恒比鉴别器(CFD)输出的单光子定时信号到达时，单光子定时信号的上升沿触发数字转换器(TDC)停止(stop)信号，作为细测时间的停止信号；

3.2.3】收到停止信号后，数字转换器把开始信号和停止信号之间的时间间隔转化为数字量并存至数字转换器(TDC)内部的缓存中，同时，控制器收到恒比鉴别器(CFD)发送的单光子达到定时信号后，驱动数字转换器(TDC)输出数字量值，存储至存储单元中，此时存储单元中的数字量即为光子到达的细测时间；

4】计算光子序列中各光子的到达时间：

粗测时间＝计数值×原子钟输出脉冲的周期；

细测时间＝数字量×数字转换器(TDC)的精度：

光子达到的时间＝粗测时间+细测时间。

7.根据权利要求6所述的光子序列到达时间的连续测量方法，其特征在于：所述连续测量方法还包括存储器的切换步骤，具体为：

第一存储器开始存储光子序列的粗测时间和细测时间，当第一存储器已满时，控制器将第一存储器切换到第二存储器开始记录，同时并行地将第一存储器的数据通过计算机接口读出到计算机内存或硬盘上；

当第二存储器已满时，控制器将第二存储器切换到第一存储器开始记录，同时并行地将第二存储器的数据通过计算机接口读出到计算机内存或硬盘上。

8.根据权利要求6或7所述的光子序列到达时间的连续测量方法，其特征在于：所述步骤3】是循环进行的。

9.根据权利要求8所述的光子序列到达时间的连续测量装置，其特征在于：所述时钟驱动单元为石英晶振经过倍频处理。

10.根据权利要求9所述的光子序列到达时间的连续测量装置，其特征在于：所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)。

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