CN114046731B - 基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法，利用硅光电倍增管作为单光子响应探测器，结合精密位移台，通过二维或一维空间扫描和反卷积运算，得到了经过显微镜物镜聚焦的单光子量级脉冲激光光斑的尺寸与光强的空间分布。
Description
技术领域
本发明属于光学测量和半导体光电子学技术领域，具体涉及一种基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法。
背景技术
微小光斑聚焦技术在多个领域都有重要应用。例如激光自准直与测量、光信息存储及传输、生物微流管制备等都需要将光斑聚焦到很小的尺寸。其中单光子量级的微小光斑在单光子成像、时间相关荧光寿命光谱、光学量子信息处理等领域中具有重要应用。目前对于微小光斑的常用测量方法有：平板/平面探测器测量法、(狭缝、刀口、针孔)扫描法、CCD(电荷耦合器件)法等。Jain A等人(A.Jain,A.Panse,D.R.Bednarek,S.Rudin,Focal spotmeasurements using a digital flat panel detector,Spie Medical Imaging,9033(90335F)(2014))使用194μm像素平板探测器(FPD,Flat panel detector)结合微针孔(10μm)测量焦斑，使用反卷积的方法减弱在聚焦光斑测量过程中检测器所带来的模糊效应，测量光斑尺寸在0.6mm左右。TakeuchiA等人(A.Takeuchi,Y.Suzuki,K.Uesugi,Differential-phase-contrast knife-edge scan method for precise evaluation ofX-ray nanobeam,Japanese Journal of Applied Physics 54(9)(2015)092401.)针对微小光斑在刀口法基础上进行改进，使用具有CMOS传感器/CCD的硬x射线微束刀边扫描***，使用钽薄膜作刀边对聚焦微束扫描，测量出聚焦光斑尺寸在25nm。但该方法无法响应单光子量级的脉冲光斑。S K Tiwari等人(S.K.Tiwari,S.P.Ram,J.Jayabalan,S.R.Mishra,Measuring a narrow Bessel beam spot by scanning a charge-coupled device(CCD)pixel,Measurement Science and Technology 21(2)(2010)025308.)将CCD光敏面垂直于光束轴放置，通过CCD成像的方法记录光束强度在扫描平面的二维分布，测量出了与像素大小相近且小于像素大小的4μm光斑。以上方法所使用的CCD不具备单光子响应能力，对于单光子量级的脉冲光斑测量无法实现。目前对于单光子量级的光斑尺寸测量鲜有报道。刘玉周等人(刘玉周,赵斌.扫描法测量无衍射成像微光斑的能量分布.应用光学,06(2007):680-683.)利用光电倍增管(PMT)作为光信号探测器，测量出了6μm的贝塞尔光束的束腰光斑，但是该法所使用的PMT为真空器件，最小尺寸在厘米量级，限制了***的集成度，且光子数分辨本领较差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法，解决了现有技术对于单光子量级的脉冲光斑测量无法实现的问题。
本发明所采用的技术方案是：基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法，该测量方法基于的装置包括放置硅光电倍增管的纳米位移台，纳米位移台依次电连接有纳米位移台驱动器和计算机；纳米位移台的下方设置有光路正对硅光电倍增管的显微物镜，显微物镜下沿光路方向依次设置有针孔透光片和倾斜的激光分束镜，激光分束镜的一侧沿光路方向设置有激光头，激光头电连接有皮秒脉冲激光驱动器；还包括均与硅光电倍增管连接的稳压电源和高速低噪声放大器，高速低噪声放大器的另一端连接有数字示波器，数字示波器的另一端连接至计算机；该测量方法具体包括以下步骤：
步骤1、将硅光电倍增管放在电磁屏蔽盒内，光敏面朝下放置在纳米位移台上；
步骤2、在激光分束镜与显微物镜之间的光路上水平放置中心开孔的针孔透光片；
步骤3、皮秒脉冲激光驱动器使激光头照射皮秒激光束，经激光分束镜分束通过显微物镜使皮秒激光束在硅光电倍增管的表面聚焦成光斑；
步骤4、通过稳压电源向硅光电倍增管供电，使其达到盖革雪崩模式，输出的雪崩脉冲信号先经高速低噪声放大器进行信号放大，再输入数字示波器获取脉冲计数率；
步骤5、用计算机的程序控制纳米位移台驱动器使纳米位移台移动，获取不同位置的脉冲计数率分布；
步骤6、用计算机上获取的不同位置脉冲计数率分布与硅光电倍增管中雪崩二极管单元的形状函数做反卷积运算，将反卷积运算结果进行贝塞尔函数拟合得出光斑尺寸信息。
本发明的特点还在于，
步骤2中针孔透光片的中心开有孔径不超过100微米的针孔。
步骤3通过皮秒脉冲激光驱动器调节皮秒激光束的强度，使硅光电倍增管雪崩的计数率低于皮秒激光束重复频率的10％。
皮秒激光束的重复频率为1-100兆赫兹。
步骤6中通过做反卷积运算得到聚焦激光光斑相对光强的空间分布函数f(x,y)，通过公式(1)表示为：
f(x,y)＝F-1{F(fx,fy)} (1)
式(1)中，x,y为垂直于光束传播方向光束腰截面内的坐标，F-1{F(fx,fy)}为f(x,y)的傅里叶逆变换形式，F(fx,fy)是f(x,y)的傅里叶变换形式，通过公式(2)表示为：
F(fx,fy)＝H(fx,fy)/G(fx,fy) (2)
式(2)中，H(fx,fy)、G(fx,fy)依次通过公式(3)、(4)表示为：
式(3)和式(4)中，L0为扫描的空间范围，H(fx,fy)为脉冲计数率分布函数h(x,y)的傅里叶变换形式，G(fx,fy)为雪崩二极管单元的形状函数g(x,y)的傅里叶变换形式，i为虚数单位，e为自然底数。
本发明的有益效果是：
(1)能够测量单光子亚微米量级的微小光斑；
(2)光斑与探测器对准容易，无需精密调节即可对准，并且无须光学狭缝/刀口或针孔，利用SiPM中的微小APD单元阵列，通过快速移动扫描并进行反卷积运算即可获得待测光斑的尺寸和光强度的空间分布信息；
(3)在微小弱光光斑检测及其相关应用领域有实用价值。
附图说明
图1是本发明基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法基于的装置示意图；
图2是本发明基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法流程示意图；
图3a)是本发明使用单元尺寸为35μm的FBK SiPM(型号：LF-HD)测量的脉冲计数率一维分布图；
图3b)是本发明使用单元尺寸为10μm的NDL SiPM(型号：EQR1011-1010C-T)测量的脉冲计数率二维分布图；
图3c)是本发明使用单元尺寸为10μm的Hamamatsu SiPM(型号：S12571-010C)测量的脉冲计数率一维分布图；
图3d)是本发明使用单元尺寸为35μm的FBK SiPM(型号：LF-HD)测量的脉冲计数率二维分布图；
图3e)是本发明使用单元尺寸为10μm的NDL SiPM(型号：EQR1011-1010C-T)测量的脉冲计数率二维分布图；
图3f)本发明使用单元尺寸为10μm的Hamamatsu SiPM(型号：S12571-010C)测量的脉冲计数率二维分布图；
图4a)是基于本发明使用单元尺寸为35μm的FBK SiPM(型号：LF-HD)得出的的一维反卷积结果及贝塞尔拟合图；
图4b)是基于本发明使用单元尺寸为10μm的NDL SiPM(EQR1011-1010C-T)得出的一维反卷积结果及贝塞尔拟合图；
图4c)是基于本发明使用单元尺寸为10μm的Hamamatsu SiPM(型号：S12571-010C)得出的一维反卷积结果及贝塞尔拟合图。
图中，1.稳压电源，2.高速低噪声放大器，3.数字示波器，4.纳米位移台驱动器，5.纳米位移台，6.皮秒脉冲激光驱动器，7.激光头，8.激光分束镜，9.针孔透光片，10.显微物镜，11.硅光电倍增管，12.计算机。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法，基于的装置如图1所示，包括放置硅光电倍增管11的纳米位移台5，纳米位移台5依次电连接有纳米位移台驱动器4和计算机12；纳米位移台5的下方设置有光路正对硅光电倍增管11的显微物镜10，显微物镜10下沿光路方向分别设置有针孔透光片9和倾斜的激光分束镜8，激光分束镜8的一侧沿光路方向设置有375纳米激光头7，激光头7电连接有皮秒脉冲激光驱动器6；还包括均与硅光电倍增管11连接的稳压电源1和高速低噪声放大器2，高速低噪声放大器2的另一端连接有数字示波器3，数字示波器3的另一端连接至计算机12；该测量方法具体包括以下步骤，如图2所示：
步骤1、将硅光电倍增管11放在一个电磁屏蔽盒内，光敏面朝下装在压电陶瓷(PZT)纳米位移台5上，用来控制硅光电倍增管11的位置；硅光电倍增管11由微小的雪崩光电二极管(APD)单元阵列组成，APD单元之间有间隙，方形APD对应方波函数或称为矩形函数，硅光电倍增管11的光敏面积在毫米见方以上，远大于单光子雪崩光电二极管(SPAD)，因此光斑与探测器的对准很容易实现，而且探测器前方无需光学狭缝/刀口或针孔。
其中测量使用的硅光电倍增管11的型号选择FBK SiPM(LF-HD，意大利产)、NDLSiPM(EQR1011-1010C-T，中国产)、Hamamatsu SiPM(S12571-010C，日本滨松公司产)，单元尺寸分别为35×35μm2(FBK)、10×10μm2(NDL)、10×10μm2(Hamamatsu)；压电陶瓷(PZT)纳米位移台为Pinano XYZ(闭环位移精度2nm；位移量程200μm，德国产)
步骤2、在激光分束镜8与硅光电倍增管11之间的光路上水平放置中心开孔的针孔透光片9，针孔透光片9的中心开设有孔径为100μm的针孔用来缩小光斑的直径；
步骤3、皮秒脉冲激光驱动器6使激光头7发射出皮秒脉冲激光束，经激光分束镜8分束通过针孔透光片9和显微物镜10使皮秒脉冲激光束在硅光电倍增管11的表面聚焦；具体处理方法如下：
通过皮秒脉冲激光驱动器6调节激光头7产生激光的强度，使硅光电倍增管11雪崩的计数率比皮秒脉冲激光驱动器6重复频率的10％还低，以确保到达SiPM光敏面的脉冲光子数衰减至单光子量级。
其中显微镜(包括显微物镜10，针孔透光片9，激光分束镜8)为X-73,OlympusCorp.(物镜分辨率标称值0.42μm,日本奥林巴斯公司生产)；皮秒激光束为PDL-800D375(中心波长,375nm；半高宽,44ps；重复频率,31.125kHz–80MHz；最大平均光能量,0.7mW；德国PicoQuant公司生产)。
步骤4、通过可编程的稳压电源1向硅光电倍增管11供电，使其达到盖革雪崩模式，输出的雪崩脉冲信号先经过高速低噪声放大器2进行信号放大，再输入数字示波器3来观察雪崩脉冲波形，获取脉冲计数率；
其中稳压电源1为IT6235型精密稳压电源(国产)，用于提供电力供应。
步骤5、用计算机12中的LABVIEW程序控制位移台驱动器4使纳米位移台5移动，分别设置数字示波器3的等效光子数阈值在0.5p.e.，经数字示波器3显示和记录触发的雪崩脉冲信号的脉冲计数频率，经计算机12采集，在计算机12上面输出脉冲计数频率即相对光响应度的一维二维空间分布；
步骤6、将计算机12采集到的脉冲计数率的一维空间分布在LABVIEW程序端使用反卷积模块与APD单元的形状函数(矩形函数)做反卷积运算，将反卷积结果导入计算机12内嵌的通用数学软件，使用贝塞尔函数拟合得出光斑尺寸信息。
步骤3和步骤4中对不同型号硅光电倍增管11在不同时间做的实验中，需要调整SiPM相对于物镜的距离，多次测量筛选脉冲计数率一维空间分布进行峰谷比，以确保光斑处于最佳聚焦位置。
本发明基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法原理如下：
皮秒脉冲激光驱动器6和激光头7产生的激光经过激光分束镜8和针孔透光片9照射到纳米位移台5上固定的硅光电倍增管11上，同时稳压电源1给硅光电倍增管11供电，输出的雪崩脉冲信号先经过高速低噪声放大器2进行信号放大，经数字示波器来观察波形和探测器相对光响应的空间分布，计算机12采集对雪崩产生的相对光子响应度一维和二维空间分布，在LABVIEW程序端使用反卷积模块与矩形函数做反卷积运算。运算原理如下：
相对空间响应度分布数据h(x，y)、矩形函数g(x，y)、光斑光强空间分布函数f(x，y)关系可由(1)式给出:
f(x,y)*g(x,y)+ε(x,y)＝h(x,y) (1)
式(1)中x,y为垂直于光束传播方向光束腰截面内的坐标，ε是测量信号的噪声涨落，可以通过低通滤波操作消除，通过反卷积运算得到强度分布函数f(x,y)。对h(x，y)、g(x，y)分别作傅里叶变换由(2)(3)式给出：
式(2)(3)中L0为扫描的空间范围。
F(fx,fy)＝H(fx,fy)/G(fx,fy) (4)
其中F(fx,fy)是f(x,y)的傅里叶变换形式。然后通过逆傅里叶反变换得到聚焦激光光斑相对光强的空间分布函数f(x,y)：
f(x,y)＝F-1{F(fx,fy)} (5)
最终通过计算机12内嵌通用数学软件对光斑反卷积结果进行贝塞尔函数拟合，使用绘图软件画出光斑一维分布图。
实施例
如图1所示，本实施例中所采用硅光电倍增管11型号分别选择FBK(LF-HD，意大利产)、NDL(EQR1011-1010C-T，中国产)Hamamatsu S12571-010C(日本产)；纳米位移台5为nanoXYZ(空载分辨率2nm；位移范围，200微米，德国产)；显微镜(包括显微物镜10(型号HAS-Y-2-40,带宽10kHz-1.9GHz，噪声因子4.9dB，电压增益40dB(100×)，德国产)，针孔透光片9，激光分束镜8)为X-73,Olympus Corp.,(日本奥林巴斯公司产)；皮秒脉冲激光器为PDL-800D375(中心波长,375nm；半高宽,44ps；重复频率,31.125kHz–80MHz；最大平均光能量,0.7mW；德国产)；数字示波器4为数字荧光示波器为DPO4102B-L(采样率5GSa/s,1GHz带宽,美国Tektronix公司生产)；
本实施例的工作原理是：
将硅光电倍增管11探测器固定于纳米位移台5上，硅光电倍增管11可跟随纳米位移台5在X,Y两个方向按一定步长移动。可编程稳压电源1用于给硅光电倍增管11加偏压使达到盖革雪崩击穿状态，硅光电倍增管11发生雪崩击穿产生的雪崩信号经高速低噪声放大器2放大后通入高速数字示波器3，得出在0.5p.e.下雪崩脉冲计数率。在PC端设置合适的步长，纳米位移台2固定的硅光电倍增管11沿着X/Y方向逐点移动，同时测量并记录每个位置点上数字示波器3显示脉冲计数率，即可得到0.5p.e.下一维脉冲计数率，通过公式(4)(5)将所得雪崩脉冲计数率分布与矩形函数做反卷积，即可得出光斑信息分布。图3a)到图3f)是不同尺寸的硅光电倍增管11一维脉冲计数率和二维脉冲计数率分布图，从图3d)到图3f)中可以看出：APD单元内部相对光响应空间分布均匀，不同的APD单元可以清楚地分辨。从3d)FBK 35μm SiPM的APD单元之间的Gap(间隔)区域尺寸为5μm，所以可以断定光斑的尺寸(FWHM)明显小于5μm，倘若光斑尺寸大于5μm，不同的APD单元将无法分辨。图3e)为NDL10μmSiPM的相对光响应空间一维/二维分布图，其中APD单元的周期为10μm，其光敏区尺寸为7μm，Gap尺寸为3μm，APD之间依然能够分辨，说明光斑的尺寸比3μm还小。从图3f)中10μmHamamatsu SiPM中APD单元内部的细节依然可以分辨，从表明光点大小的FWHM应小于1μm。通过对图3a)到图3c)与方波就矩阵反卷积运算，图4a)到图4c)为反卷积结果与贝塞尔拟合图，所得光斑尺寸大约在0.66μm。
Claims (4)
1.基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法，其特征在于，该测量方法基于的装置包括放置硅光电倍增管(11)的纳米位移台(5)，纳米位移台(5)依次电连接有纳米位移台驱动器(4)和计算机(12)；纳米位移台(5)的下方设置有光路正对硅光电倍增管(11)的显微物镜(10)，显微物镜(10)下沿光路方向依次设置有针孔透光片(9)和倾斜的激光分束镜(8)，激光分束镜(8)的一侧沿光路方向设置有激光头(7)，激光头(7)电连接有皮秒脉冲激光驱动器(6)；还包括均与硅光电倍增管(11)连接的稳压电源(1)和高速低噪声放大器(2)，高速低噪声放大器(2)的另一端连接有数字示波器(3)，数字示波器(3)的另一端连接至计算机(12)；该测量方法具体包括以下步骤：
步骤1、将硅光电倍增管(11)放在电磁屏蔽盒内，光敏面朝下放置在纳米位移台(5)上；
步骤2、在激光分束镜(8)与显微物镜(10)之间的光路上水平放置中心开孔的针孔透光片(9)；
步骤3、皮秒脉冲激光驱动器(6)使激光头(7)照射皮秒激光束，经激光分束镜(8)分束通过显微物镜(10)使皮秒激光束在硅光电倍增管(11)的表面聚焦成光斑；
步骤4、通过稳压电源(1)向硅光电倍增管(11)供电，使其达到盖革雪崩模式，输出的雪崩脉冲信号先经高速低噪声放大器(2)进行信号放大，再输入数字示波器(3)获取脉冲计数率；
步骤5、用计算机(12)的程序控制纳米位移台驱动器(4)使纳米位移台(5)移动，获取不同位置的脉冲计数率分布；
步骤6、用计算机(12)上获取的不同位置脉冲计数率分布与硅光电倍增管(11)中雪崩二极管单元的形状函数做反卷积运算，将反卷积运算结果进行贝塞尔函数拟合得出光斑尺寸信息；通过做反卷积运算得到聚焦激光光斑相对光强的空间分布函数f(x,y)，通过公式(1)表示为：
f(x,y)＝F-1{F(fx,fy)} (1)
式(1)中，x,y为垂直于光束传播方向光束腰截面内的坐标，F-1{F(fx,fy)}为f(x,y)的傅里叶逆变换形式，F(fx,fy)是f(x,y)的傅里叶变换形式，通过公式(2)表示为：
F(fx,fy)＝H(fx,fy)/G(fx,fy) (2)
式(2)中，H(fx,fy)、G(fx,fy)依次通过公式(3)、(4)表示为：
式(3)和式(4)中，L0为扫描的空间范围，H(fx,fy)为脉冲计数率分布函数h(x,y)的傅里叶变换形式，G(fx,fy)为雪崩二极管单元的形状函数g(x,y)的傅里叶变换形式，i为虚数单位，e为自然底数。
2.如权利要求1所述的基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法，其特征在于，所述步骤2中针孔透光片(9)的中心开有孔径不超过100微米的针孔。
3.如权利要求1所述的基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法，其特征在于，所述步骤3通过皮秒脉冲激光驱动器(6)调节皮秒激光束的强度，使硅光电倍增管(11)雪崩的计数率低于皮秒激光束重复频率的10％。
4.如权利要求3所述的基于硅光电倍增管的亚微米单光子量级微小光斑测量方法，其特征在于，所述皮秒激光束的重复频率为1-100兆赫兹。
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