Счетчик одиночных фотонов – большой обзор

Для начала стоит разобрать базовый принцип работы счетчиков одиночных фотонов. Лавинные фотодиоды (ЛФД), работающие в режиме Гейгера, способны обнаруживать одиночные фотоны. Эта однофотонная чувствительность может быть достигнута путем смещения ЛФД выше напряжения пробоя (точка A на рис. 1). ЛФД будет оставаться в метастабильном состоянии до тех пор, пока не прибудет фотон и не вызовет лавину (точка B). Эта лавина гасится активной схемой гашения внутри ЛФД (точка C), которая снижает напряжение смещения ниже напряжения пробоя (обозначено V_BR на рис. 1).

Рисунок 1. Вольтамперные характеристики лавинного фотодиода, работающего в режиме Гейгера

Впоследствии избыточное напряжение смещения можно восстановить. В течение этого времени, которое известно как время неперекрытия импульса диода, ЛФД нечувствителен к любым другим входящим фотонам. Возможны самопроизвольные лавины при нахождении диода в метастабильном состоянии. Если эти спонтанные лавины возникают случайно, они называются темновыми счетчиками. Если спонтанно возникшие лавины коррелируют во времени с импульсом, вызванным фотоном, это называется постимпульсом. Чтобы заблокировать такие остаточные импульсы при измерении, в программном обеспечении можно установить дополнительное время паузы для импульсов, которое заставит внутренний счетчик игнорировать все импульсы, возникающие в течение этого времени паузы для импульсов.

Режим Гейгера:

В этом режиме диод работает немного выше порогового напряжения пробоя. Следовательно, одиночная электронно-дырочная пара (генерируемая поглощением фотона или тепловыми флуктуациями) может вызвать сильную лавину.

Скорость темного счета:

Это средняя скорость зарегистрированного счета в отсутствие падающего света и определяет минимальную скорость счета, при которой сигнал в основном вызван реальными фотонами. События ложного обнаружения в основном имеют тепловое происхождение и поэтому могут быть сильно подавлены с помощью охлаждаемого детектора. Активное гашение происходит, когда быстрый дискриминатор определяет резкое начало лавинного тока и быстро снижает напряжение смещения, так что оно на мгновение оказывается ниже уровня пробоя. Затем смещение возвращается к значению, превышающему напряжение пробоя, при подготовке к обнаружению следующего фотона.

Время неперекрытия – это интервал времени, в течение которого детектор находится в состоянии восстановления. В это время он практически не видит входящих фотонов. Доля времени неперекрытия, которая является неотъемлемой характеристикой схемы активного гашения, может быть определена как отношение пропущенных событий к общему числу актов. Во время лавины некоторые заряды могут быть захвачены в области сильного поля. Когда эти заряды высвобождаются, они могут вызвать лавину. Эти ложные события называются запаздывающий импульс. Время жизни этих захваченных зарядов составляет порядка нескольких десятых микросекунды.

Системы TCSPC для высокоточного подсчета одиночных фотонов от компании Becker & Hickl GmbH

TCSPC, сокращение от коррелированного по времени подсчета одиночных фотонов, относится к мощному методу анализа, используемому, в частности, во многих отраслях науки и фундаментальной физике. Этот метод используется для сверхточных измерений времени жизни флуоресценции и фосфоресценции. Как технологический лидер в области оборудования для многомерного счета одиночных фотонов, Becker & Hickl с 1993 года предлагает широкий спектр высокоэффективных систем TCSPC.

Запатентованный многомерный процесс счета одиночных фотонов с временной корреляцией (Multidimensional TCSPC) является расширением классического принципа TCSPC. Системы для высокоэффективной визуализации флуоресценции и TCSPC чрезвычайно чувствительны и могут предоставлять информацию о биохимических взаимодействиях на молекулярном уровне. Поскольку эти методы являются неинвазивными и неразрушающими, их можно применять к живым образцам, поэтому они нашли широкое применение, в частности, в области наук о жизнедеятельности живых организмов.

Все детекторы и системы Becker & Hickl TCSPC характеризуются сверхвысоким временным разрешением, высокой скоростью счета и пропускной способностью, а также чрезвычайно низкой фоновой флуоресценцией. Ученые, врачи, исследователи и другие пользователи могут выполнять высокоэффективную TCSPC с помощью этого оборудования. Существует возможность выбора между волоконно-оптическими, фильтровальными или многоканальными системами TCSPC со сверхвысокой фотонной эффективностью, чтобы найти идеальный прибор для конкретных требований к счету одиночных фотонов.

Рисунок 2. Система TCSPC на основе оптического волокна

Функциональные особенности:

• Гибридная волоконная система с имплантируемым наконечником волокна
• Наконечник, снимаемый с волоконной системы
• Отдельные волокна возбуждения и обнаружения
• Чрезвычайно низкая фоновая флуоресценция
• Одновременное обнаружение затухания флуоресценции и фосфоресценции
• 1 модуль SPC
• Диодные лазеры с одной или двумя импульсами пс (серии BDS-SM или BDL-SMN)
• Высокоэффективный гибридный детектор HPM-100-40 или -50
• Опционально: многоволновой детектор

Система, представленная на рисунке 3 состоит из волоконного зонда, сменного наконечника, лазера возбуждения, детектора и системы TCSPC. Возбуждающий пучок излучается пикосекундным диодным лазером BDL-SMN. Он вводится во входное волокно зонда. Флуоресцентный свет, возвращаемый от объекта измерения, передается на детектор HPM ‑ 100-40 через выходное волокно зонда. Входное волокно является одномодовым, чтобы минимизировать артефакты движения. Выходное волокно является многомодовым, что обеспечивает высокую эффективность сбора.

Принцип работы волоконного зонда показан ниже. Зонд состоит из входного волокна (одномодового) с оптоволоконным разъемом, совместимого с оборудованием компании Qioptiq, выходного волокна (многомодового) с разъемом FC, миниатюрного оптоволоконного разъема и сменного наконечника. Наконечник состоит из короткого отрезка многомодового волокна. Наконечник – единственная часть системы, которая является общей для возбуждающего и детектирующего луча. Поэтому фоновые сигналы от флуоресценции и генерации рамановского света в стекле зонда поддерживаются на приемлемо низком уровне.

Рисунок 3. Принцип работы волоконного зонда

Сферы применения:

Одно из применений описывается как система определения времени жизни флуоресценции на основе оптоволоконного зонда со сменным наконечником. Возбуждающий свет доставляется к наконечнику через одномодовое волокно, излучаемый свет передается на детектор через многомодовое волокно. Электронная часть системы состоит из пикосекундного диодного лазера bh BDL-SMN, гибридного детектора bh PMH-100 или многоволнового детектора MW FLIM GaAsP и системы Simple-Tau 150 TCSPC. Система отличается высокой чувствительностью и коротким временем сбора данных. Кривые затухания чистой флуоресценции из раствора флуоресцеина 10^-7 моль/л записывали в течение 0.5 секунды, временные ряды кривых затухания автофлуоресценции записывали со скоростью 100 мс на шаг.

Имплантируемая волоконно-оптическая система определения времени жизни флуоресценции для приложений in-vivo. В этом применении описывается система определения времени жизни флуоресценции на основе возбуждения пикосекундного диодного лазера, одномодовое возбуждающее волокно, одно или несколько многомодовых детекторных волокон, высокоэффективные детекторы одиночных фотонов и портативный коррелированный по времени счетчик одиночных фотонов. Система возбуждения и обнаружения может быть легко подключена и отключена от объекта измерения через малогабаритные и легкие оптоволоконные соединители. Система записывает кривые затухания флуоресценции, кривые затухания фосфоресценции, временные ряды кривых затухания флуоресценции, кривые интенсивности и данные корреляции флуоресценции. Запуская сбор данных с помощью внешней стимуляции объекта измерения, можно регистрировать динамические эффекты времени жизни и интенсивности флуоресценции вплоть до миллисекундного диапазона.

"Автономный" модуль TCSPC для подсчета одиночных фотонов с временной корреляцией компании Aurea

AUREA Technology (Франция) занимается разработкой и производством нового поколения высокопроизводительных и автономных оптических приборов на основе однофотонных лавинных фотодиодов, сверхбыстрых лазерных диодов и электроники с быстродействующей синхронизацией. Будучи мировым технологическим лидером, AUREA Technology предлагает одни из лучших в мире настольные счетчики одиночных фотонов в "Гейгеровском режиме", пикосекундный лазерный источник, модуль быстрой временной корреляции и оптические датчики. AUREA Technology предоставляет отличную техническую поддержку заказчиков и предлагает готовые решения для различных применений.

LYNXEA – это новое поколение автономных приборов TCSPC, которые представляют собой крупный прорыв в измерениях времени жизни, характеристике источников фотонов, измерениях совпадений или любых измерениях очень низкого уровня света в видимом диапазоне от 400 до 1060 нм. LYNXEA - это первое поколение детекторов одиночных фотонов с временной корреляцией, которое выполняет как синхронный "стробированный", так и асинхронный "автономный" режимы обнаружения. Его оригинальная архитектура объединяет в одном корпусе до двух независимых кремниевых каналов счета одиночных фотонов в режиме Гейгера и коррелятор времени. Таким образом, LYNXEA выполняет все коррелированные по времени измерения, такие как время жизни, временные метки или измерения антигруппировки, без какого-либо дополнительного модуля. Очень хорошо продуманный дизайн, компактность, выдающиеся характеристики и современные интерфейсы делают LYNXEA незаменимым аналитическим инструментом для любых измерений с временной корреляцией!

Рисунок 4. Счетчик фотонов компании Aurea – LYNXEA

Функциональные особенности:

• 1 или 2 канала обнаружения
• Интегрированная счетная электроника
• Встроенный коррелятор времени
• Калиброванное QE (в англоязычной литературе квантовая эффективность) до 75%
• Скорость темнового счета <100 cps (в англоязычной литературе количество отсчетов в секунду).
• Автономный и закрытый режимы
• Временные метки и время жизни
• Режимы работы Master/Slave
• Программное обеспечение для удаленного управления
• Библиотеки DLL: LabVIEW, C ++, Python

Возможные сферы применения:

• Характеристика источников фотонов
• Квантовое распределение ключей
• Измерения совпадений
• ЛИДАР в режиме Гейгера.
• Оптический рефлектометр высокого разрешения
• Визуализирующая микроскопия с сохранением флуоресценции микроскопия
• Оптоволоконное зондирование

Автономный модуль TCSPC с интерфейсом USB PicoHarp 300 от компании PicoQuant

PicoHarp 300 – это высокопроизводительная, простая в использовании, подключаемая и работающая система подсчета одиночных фотонов с временной корреляцией (TCSPC). Модуль подключается к ПК через интерфейс USB 2.0. Высокое качество и надежность PicoHarp 300 подтверждается уникальной 5-летней ограниченной гарантией.

Особый подход к проектированию обеспечивает идентичные и синхронизированные, но независимые входные каналы. Их можно использовать как входы детекторов для экспериментов по корреляции совпадений или как пару входов запуска и остановки для TCSPC. Он позволяет выполнять прямую операцию «старт-стоп» даже при полной частоте следования лазерного излучения с синхронизацией мод со стабильной частотой следования до 84 МГц. Эксперименты с низкой частотой повторения выигрывают от возможности PicoHarp multi-stop. Конструкция обеспечивает высокую скорость измерения вплоть до 10 миллионов отсчетов в секунду и обеспечивает высокостабильное, калиброванное по кристаллу временное разрешение 4 пс. Временное разрешение прибора хорошо согласуется даже с самыми быстрыми детекторами, доступными в настоящее время: детекторами на основе ЛФД серии PDM или фотоэлектронными умножителями (MCP) с микроканальными пластинами. Оба входных канала оснащены дискриминаторами постоянной фракции (CFD), чувствительными к заднему фронту.

Канал синхронизации PicoHarp 300 даже имеет внутреннюю регулируемую задержку с диапазоном ± 100 нс при разрешении 4 пс. Эта уникальная функция устраняет необходимость в специально подобранной длине кабеля или спиральных кабелях для различных экспериментальных установок.

Режим с привязкой по времени для записи отдельных фотонных событий с указанием времени их прибытия по обоим каналам доступен в качестве опции, что позволяет проводить наиболее сложный автономный анализ динамики фотонов. Данные TTTR (режим с временным разрешением) могут быть коррелированы в реальном времени для мониторинга экспериментов FCS (флуоресцентная корреляционная спектроскопия) при скорости счета до 500 000 отсчетов в секунду. Сигналы внешних маркеров можно использовать для синхронизации устройства с другим оборудованием, таким как сканеры, например, для визуализации флуоресценции в течение всего срока службы (FLIM). В режиме TTTR PicoHarp 300 также может использоваться в качестве общего таймера событий, например, для спутникового лазерного определения дальности (SLR).

Рисунок 5. Автономный модуль TCSPC с интерфейсом USB PicoHarp 300 от компании PicoQuant

Функциональные особенности:

• Два идентичных синхронизированных, но независимых входных канала
• 65536 интервалов времени гистограммы, минимальная ширина 4 пс
• Скорость счета до 10 миллионов отсчетов в секунду
• Возможность многократной остановки multi-stop для эффективности при низкой частоте повторения
• Регулируемая задержка входа для канала синхронизации с разрешением 4 пс
• Диапазон измерения гистограммы от 260 нс до 33 мкс
• Возможность многоканальной маршрутизации
• Режим с временным разрешением (TTTR)
• Внешние синхронизирующие сигналы для изображений или других событий управления

Области применения:

• Флуоресценция с временным разрешением
• Визуализация времени жизни флуоресценции (FLIM)
• Визуализация времени жизни фосфоресценции (PLIM)
• Флуоресцентная корреляционная спектроскопия (FCS)
• Корреляционная спектроскопия времени жизни флуоресценции (FLCS)
• Фёрстеровский перенос энергии (FRET)
• Микроскопия на эффекте вынужденного подавления флуоресценции (STED)
• Двухфокусная флуоресцентная корреляционная спектроскопия (2fFCS)
• Анизотропия флуоресценции (поляризация)
• Фотолюминесценция с временным разрешением (TRPL)
• Спектроскопия/обнаружение одиночных молекул
• Измерение синглетного кислорода
• Повышающее преобразование лантаноидов
• Измерения расстояний на основе сбора данных с временным разрешением
• Идентификация излучателей одиночных фотонов
• Корреляция совпадений
• Квантовая коммуникация
• Квантовая запутанность
• Квантовая телепортация посредством передачи кубита из одной точки в другую
• Квантовая обработка информации
• Спектроскопия времени жизни позитронной аннигиляции (измерение атомных дефектов – PALS)
• Характеристики времени отклика оптоэлектронных устройств
• Однофотонный метод Томаса-Боллинджера

© AUREA Technology

© Becker & Hickl

© PicoQuant

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции AUREA Technology, Becker & Hickl, PicoQuant на территории РФ