引用本文

苗泉龙, 代雷, 李佰成, 赵天琦, 梁琨, 杨茹, 韩德俊. 基于SiPM和TCMPC的时间分辨拉曼散射测量技术研究[J]. 光谱学与光谱分析, 2018,38(5): 1444-1450.

MIAO Quan-long, DAI Lei, LI Bai-cheng, ZHAO Tian-qi, LIANG Kun, YANG Ru, HAN De-jun. Time-Resolved Raman Scattering Measurement Based on SiPM and TCMPC Method[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018,38(5): 1444-1450.

Doi:10.3964/j.issn.1000-0593(2018)05-1444-07

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基于SiPM和TCMPC的时间分辨拉曼散射测量技术研究

苗泉龙1, 代雷1, 李佰成1, 赵天琦1, 梁琨1,2, 杨茹1,2, 韩德俊1,2,*

1. 北京师范大学核科学与技术学院, 北京 100875

2. 北京市辐射中心, 北京 100875

*通讯联系人 e-mail: djhan@bnu.edu.cn

作者简介: 苗泉龙, 1991年生, 北京师范大学核科学与技术学院硕士研究生 e-mail: 314647104@qq.com

收稿日期: 2017-06-08

基金: 国家自然科学基金项目(11275026)和北京市科技委项目(Z141100003414007)资助

摘要

报道了一种基于硅光电信增管(SiPM)的时间相关多光子计数(TCMPC)技术并将其应用于时间分辨拉曼散射测量。 相比于常规基于光电倍增管(PMT)或单光子雪崩二极管(SPAD)的时间相关单光子(TCSPC)技术, 由于SiPM可以分辨信号脉冲的具体光子数, 基于SiPM的TCMPC技术消除了信号脉冲包含的光子数必须小于等于1的限制, 光子计数效率提高了10倍以上, 大大节省了测量时间。 此外, 多光子测量比单光子测量能够得到更好的时间分辨率, 时间分辨拉曼散射系统的仪器响应函数(IRF)从单光子81.4 ps缩短至双光子59.7 ps, 因而可以用更窄的时间门限抑制荧光本底等噪声对拉曼散射测量的影响。 使用TCMPC技术测量CCl4在0.5和1.5 p.e.两个不同光子数阈值的拉曼峰的峰本比, 后者较高的光子数阈值能进一步降低SiPM暗计数噪声的影响, 增加了拉曼信号测量的信噪比, 测量得到的CCl4 459 cm-1拉曼峰的峰本比是前者的6.4倍。 将所述新的拉曼散射测量技术与基于PMT和锁相放大器(LIA)的传统拉曼散射测量技术进行了比较研究, 前者由于可以使用仅有数十皮秒的测量门限, 可以有效抑制荧光、 环境杂散光和SiPM暗计数等噪声的影响, 所得光谱具有更好的峰本比, 测得CCl4的459 cm-1拉曼峰和Si的一阶拉曼峰的峰本比分别是后者的3.9倍和5.5倍。

关键词:

硅光电信增管; 时间相关单位光子; 时间相关多光子计数; 时间分辨; 拉曼散射; 仪器响应函数; 峰本比

中图分类号:O433.1

文献标志码:A

Time-Resolved Raman Scattering Measurement Based on SiPM and TCMPC Method

MIAO Quan-long1, DAI Lei1, LI Bai-cheng1, ZHAO Tian-qi1, LIANG Kun1,2, YANG Ru1,2, HAN De-jun1,2,*

1. College of Nuclear Science and Technology, Beijing Normal University, Beijing 100875, China

2. Beijing Radiation Center, Beijing 100875, China

Abstract

This paper reports a time-correlated multi-photon counting (TCMPC) technique based on SiPM and its application to time-resolved Raman scattering measurements. Compared with conventional time-correlated single photon counting (TCSPC) technique by using photomultiplier (PMT) or single photon avalanche diode (SPAD) as photon detector, SiPM can distinguish the specific photon-number of the signal pulse, the TCMPC technique based on SiPM eliminates the limitation of the number of photons contained in signal pulse, which must be less than or equal to 1, leading to an increment of the photon counting efficiency by more than 10 times, and greatly reduces the measurement time. In addition, the instrument response function (IRF) of the time-resolved Raman scattering system is enhanced from 81.4 ps for single-photon to 59.7 ps for two-photon detection due to higher time resolution for multi-photon counting than single-photon counting measurement. As a result, it is possible to use a narrower measuring time span to suppress the fluorescence background, a kind of noise that usually occurs in conventional Raman spectroscopy. The TCMPC technique is used to measure the peak-to-background ratio of Raman spectroscopy of CCl4 with different photon numbers of 0.5 p.e. and 1.5 p.e., because the later has a higher photo-electron threshold number that can further reduce the effect of SiPM dark counting and increase the signal-to-noise ratio of Raman spectroscopy, the measured peak-to-background ratio of CCl4 459 cm-1 Raman peak has increased 6.4 times compared with the former. The TCMPC based on Raman scattering measurement technique is compared with the conventional one based on photomultiplier tube (PMT) and lock-in amplifier (LIA). As the timing gate of only several tens of picoseconds is utilized, effective suppression of fluorescence, ambient stray light, dark counting of SiPM and other noise effects have been demonstrated, leading to a better peak-to-background ratio for Raman spectroscopy. The peak-to-background ratios of CCl4 459 cm-1 Raman peak and Si 1st Raman peak, measured by the TCMPC based on Raman spectrometer are 3.9 times and 5.5 times as high as the values obtained by the one based on PMT and LIA, respectively.

Keyword:

SiPM; TCMPC; TCSPC; Time resolved; Raman scattering; IRF; Ratio of peak to base

引 言

拉曼光谱是一种分子振动光谱, 可以提供分子结构的信息, 对物质具有指纹识别的作用, 被广泛应用于物质鉴别、 生物医学、 药理学、 化学分析和其他的一些领域。 拉曼光谱存在两点不足, 一是拉曼散射太弱, 大约109个入射光子才能产生1个拉曼光子, 二是容易受到来自被测物质本身或者周围环境中的荧光干扰。

在传统的拉曼光谱测量中, 经常使用的探测器是CCD以及PMT。 CCD具有很低的暗电流和较高的光响应灵敏度, 但没有内部增益, 需要在低温下对信号长时间积分, 所以物质的检测速度较慢。 PMT虽然具有单光子响应能力和很高的增益, 但其探测效率低、 易损坏、 体积大不易集成、 易受磁场干扰[。 近年来一种新兴的探测器— — 硅光电倍增管(silicon photomultiplier, SiPM), 得到迅猛发展[。 它拥有和PMT可比拟的高增益, 具有单光子探测能力, 很好地弥补了CCD无增益的不足; 同时, 其时间响度速度快, 时间分辨率高, 具有优秀的单光子响应能力和光子数分辨能力, 而且体积小, 易于集成, 制作工艺相对简单, 成本较低, 抗磁场干扰能力强, 功耗低, 这些特性很好地弥补了PMT的不足。

针对拉曼信号较弱的不足, 可以尽可能增大在样品上激发光的功率密度和仪器接收散射光的效率。 目前光电探测器已达到可检测单光子的水平而光源又是激光器, 因此, 目前仪器设计和光谱测量的关键是提高光谱仪接收到的拉曼信号相对于其他一切杂散信号的信噪比, 而不是增大拉曼散射的绝对强度。 消除荧光等杂散噪声干扰的一种常用办法是使用时间分辨拉曼光谱技术, 主要通过时间门控技术和时间相关单光子(time-correlated single photon counting, TCSPC)技术[来实现。 根据拉曼散射信号的产生与持续快而短(1 ps左右), 而荧光信号的产生与持续慢而长(一般几百ps至几十ns)的特点[, 利用短脉冲皮秒激光器以及设定合适的测量时间窗口, 可以将拉曼信号和荧光信号分隔开分别测量, 在数据处理的过程中去除长寿命的荧光光子信号, 可以有效提高拉曼光谱的峰本比。

2016年, 采用北京师范大学新器件实验室(NDL)研制的SiPM器件, 在TCSPC技术的基础之上, 提出了时间相关多光子计数技术(TCMPC), 并将其应用于时间分辨拉曼散射测量中[。 该技术不再像TCSPC技术那样要求一个周期内探测到光子的概率远小于1(即必须是单光子计数测量), 而是可以充分利用每个信号脉冲的光子数目信息, 从而提高光子计数率。

为了更好地体现TCMPC技术在时间分辨拉曼散射测量中的优势, 对TCMPC技术的计数率进行了定量研究, 并提出采用高光子数分辨阈值和多光子IRF门限的方式进一步提高光谱峰本比。 采用高光子数分辨阈值, 可以减少单倍暗计数、 荧光、 环境杂散光等噪声对拉曼信号的影响; 同时, 由于多光子IRF比单光子IRF更小, 可以利用更窄的时间门限抑制噪声对拉曼散射测量的影响。 另外, 为了体现基于SiPM和TCMPC方法的时间分辨拉曼散射测量技术的优势, 在同一套拉曼散射测量光路上搭建了基于PMT和锁相放大器(lock-in amplifier, LIA)的传统拉曼散射测量系统, 采用两套系统对CCl4和Si两种常见的实验样品进行比较研究。 对比测量结果显示, 基于SiPM和TCMPC方法的时间分辨拉曼散射测量技术可以更好地抑制荧光、 环境杂散光、 器件暗计数等对拉曼散射测量的干扰, 测量得到的拉曼光谱具有更好的峰本比。

1 实验部分

为了与一般光栅单色仪的条形出射狭缝相适应, NDL设计了30003B-T型3 mm× 0.05 mm条形SiPM器件。 每个3 mm× 0.05 mm条形器件包含1 500个APD微单元, 微单元的步距为10 μ m宽, 该器件的填充因子可达42%。 SiPM器件的暗计数率、 光学串话率、 光子脉冲面积分布谱、 光子探测效率、 时间分辨率等参数的表征与文献[

1.1 TCMPC技术

TCSPC技术的基本原理: 采用PMT或单光子雪崩光电二极管(SPAD)作为光探测器, 在记录低强度、 高重复频率的光脉冲信号时, 需要将光强衰减得非常弱, 以保证在一个信号周期内探测到一个光子的概率远远小于1, 然后根据它们在信号周期内的时间建立时间分布直方图, 最后统计得到光子数和光子达到时刻的信息[。 基于SiPM的TCMPC技术的原理是: SiPM具有良好的光子数分辨能力, 因此不需要将探测光信号衰减到单光子水平, 而是可以直接测量探测到的光脉冲中所包含的光子数(可达十几个), 然后根据它们在信号周期的时间建立分布直方图再进行统计便可得到探测时间内光信号的光子总数和光子到达时刻信息。

TCMPC技术的数据处理终端是LeCroy 640 Zi示波器, SiPM探测到的信号经过快速前放大之后输入到示波器中可以得到脉冲波形, 然后利用示波器的函数可以求得波形的面积。 在入射光子为多光子的情况下对光子脉冲的面积进行统计[, 便可以得到器件的光子脉冲面积分布谱, 因此根据波形的具体面积便可以辨别出每个脉冲的具体光子数目。

定义计数率η, 为所采用的数据采集终端Lecory示波器每秒采集到的光子数目。 计数率η计算公式如式(1)所示

η=∑kp(k)×n(k)(1)

式中, k为示波器的计数周期序号, p(k)为第k个计数周期示波器采集到脉冲的概率, n(k)为对应脉冲中包含的光子数目。

如果知道每个计数周期内采集到脉冲的平均概率, 和脉冲的平均光子数目, 也可以通过(2)式计算测量效率

η=K×p̅×n̅(2)

式中, K为示波器的计数频率, 即每秒内计数周期的数目, p̅为每个计数周期采集到脉冲的平均概率, n̅为脉冲的平均光子数目。

在TCSPC技术中, 一个计数周期内采集到单光子脉冲的概率不超过0.1[; 而在TCMPC技术中, 一个计数周期内采集到光子脉冲的概率至少可以超过0.5, 脉冲平均光子数在2以上。 因此, 通过式(2)计算, 可以发现TCMPC技术的计数率理论上是TCSPC技术的10倍以上。

1.2 拉曼散射测量系统

图1是拉曼散射测量原理图, 若将图中PIN(Alphalas, UPD-200-UD)输出的参考信号输入到箭头②处的示波器, 该系统为时间分辨拉曼散射测量系统。 Nd∶ YVO4脉冲激光(532 nm, 15 ps FWHM, 100 kHz)用作光源, 高速数字示波器(LeCroy Wave Runner 640 Zi)用来获取数据。 激光经过衰减片之后打到分束镜上分束, 一束光打在PIN上, 然后输入到示波器通道1, 用作参考信号; 另一束光, 经过二向色镜, 再经透镜聚焦在样品上, 样品经激光照射产生拉曼信号, 再经透镜收集, 经过二向色镜、 陷波滤波片、 物镜汇聚、 光栅单色仪(Zolix Omni-λ 320i)照射到所制作的TCMPC探测器上, 其输出的信号再输入到示波器通道2, 此为信号通道。 TCMPC探测器是由30003B-T型条形SiPM器件、 测试电路板、 快速前放(FEMTO, HSA-X-1-40)以及金属屏蔽壳、 SMA头、 同轴电缆线等共同构成, 可安装在单色仪出射狭缝处使用。

图1

Fig.1图1 拉曼散射测量原理图Fig.1 Raman scattering measurement schematic

若将图1中PIN输出的参考信号输入到箭头①处恒定系数甄别器(constant fraction discriminator, CFD)中, 则该系统则为基于PMT和LIA的传统拉曼散射测量系统, 与时间分辨拉曼散射测量系统共用相同的光路, 以保证两套系统测量结果的差异是采用不同拉曼测量技术造成的而与光路无关。 不同的是将PIN输出的信号输入到CFD中, 然后输入LIA(型号SR830)中作为参考通道; 在单色仪的另一个出射狭缝安装PMT, 然后将PMT输出的信号输入到LIA中作为信号通道。 最后, 通过Zolix软件控制单色仪的转动和LIA数据的读取。

实验中按照图1所示搭建好光路和电路, 电子器件的连接采用同轴线缆, 屏蔽外界干扰, 样品和单色仪的狭缝都处于会聚透镜的焦点处, 此次实验中的样品是CCl4和Si, 其中CCl4液体装在比色皿中, Si单晶固定在支架上。 在连接①中, 通过Zolix软件控制光栅单色仪和锁相放大器, 得到每个波长下光电流的大小, 也就是拉曼光谱信号。 在连接②中, 通过软件控制光栅单色仪转动和示波器读取数据, 主要获取两个数据: 一个数据是通道2的光脉冲信号与通道1参考信号之间的时间差, 另一个数据是通道2的光脉冲信号的面积。 这两个数据是TCMPC技术的关键, 面积用来判断光脉冲所包含的光子数目, 时间差用来进行门限处理, 在门限之内的光脉冲会被记录下来, 在门限之外的光脉冲将会被扣除, 因此可以通过门限结合时间差来扣除荧光背景对拉曼信号的干扰。 最后通过对这两个数据的处理得到每个波长下光子的计数, 也就是拉曼光谱。

1.3 系统仪器响应函数

系统的仪器响应函数IRF定义为系统的时间抖动tSystem, 可看作系统的最小时间分辨率。 在图1所示的拉曼光谱测量系统中, 它由通道1与通道2时间差统计分布的FWHM值表示, 用式(3)描述, 由tSiPM, tn, tPIN, tLaser, tOSC共同决定。 若要测量系统IRF, 只要将图1中的样品换成黑色金属块, 便可通过示波器测得。

tSystem=tSiPM2+tn2+tPIN2+tLaser2+tOSC2(3)

式中, tSiPM为SiPM的时间抖动; tPIN为PIN的时间抖动, 约10 ps; tLaser为激光脉冲的时间抖动, 约15 ps; tOSC为示波器的时间抖动, 约2 ps。 tn为电子学噪声造成的时间抖动(FWHM值)[, tn≈ 2.35σ n, σ n电子学噪声对系统时间抖动贡献的统计学值, 它由式(4)描述

σn=ν-n/(dνr/dt)(4)

式中, ν-n为电子学噪声的均方根, dν r/dt为脉冲信号在触发处的斜率。

2 结果与讨论

2.1 SiPM特性表征

图2(a)和(b)分别是SiPM器件的暗计数率和光学串话率随偏压的变化关系图。 在5 V过偏压处, 器件的暗计数率为52.1 kHz, 光学串话率为3.1%。 图3是SiPM的光子脉冲面积分布图, 由图3可以清晰地分辨出11个光电子峰, 表明30003B-T型器件具有很好的光子数目分辨能力。 由该分布图可以计算出, 在4V过偏压下器件的增益为1.32× 105。

图2

Fig.2图2 暗计数率(a)和光学串话率(b)随偏压的变化关系图Fig.2 Dark count rate (a) and optical crosstalk (b) rate as function of over voltage

图3

Fig.3图3 在4 V过偏压时光子脉冲面积分布图Fig.3 Photon pulse area distribution at 4 V over voltage

图4是在4.5~5.5 V过偏压范围内PDE随波长的变化关系曲线, 所采用的测量方法为随机光子计数法。 在5.5 V过偏压时, 在430 nm处, PDE可以达到最大值为21.3%。

图4

Fig.4图4 PDE与波长的关系曲线图Fig.4 Dependence of PDE on wavelength

图5是时间抖动与过偏压之间的关系, 所有数值都是由高斯拟合之后的FWHM值获得。 由图5可以看出, 随着过偏压的增大, 整个系统的时间抖动、 SiPM本征单光子时间分辨率(single photon time resolution, SPTR)以及系统电子学噪声贡献的时间抖动都在减小。 在5 V过偏压时, SiPM的本征SPTR可以达到67.9 ps。

图5

Fig.5图5 时间抖动FWHM与过偏压之间的关系

黑、 红、 蓝分别表示整个系统的时间抖动、 SiPM的本征SPTR、 整个系统电子学噪声贡献的时间抖动Fig.5 Timing jitter FWHM as function of overvoltage

Red, black and blue lines representthe intrinsic SPTR of the strip SiPM, timing jitter of total system and electronicnoise contribution to the timing jitter of total system, respectively

高增益、 低暗计数率、 低光学串话率以及高光子探测效率是弱光探测的基本要求, 良好的光子分辨能力和高时间分辨率是研究TCMPC技术的基础。 以上结果表明, 本文采用的SiPM器件具有良好的特性, 能够满足本工作开展TCMPC研究的需要。

2.2 CCl4和Si的拉曼散射测量结果分析

将TCMPC技术应用于时间分辨拉曼散射测量中, 可得到在不同光子水平下系统的IRF(均采用FWHM值), 如表1所示, p.e.是photon electron的缩写, 指的是光电子。 可以发现, 随着光子数变多, 系统IRF的值在变小。 系统的IRF由式(3)表示, 整个系统的IRF中贡献最大的就是SiPM的本征时间抖动, 其值与光子数目的1/2次方成反比[; 随着光子数变多, 信号波形的斜率也会随着变大, 由式(4)可知, 电子学噪声贡献的时间抖动也随着光子数变多而减小; 而其他部分贡献的抖动影响较小, 所以整个系统的IRF会随着光子数目增多而变小。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 不同光子水平下的时间分辨拉曼散射系统的IRFTable 1 IRF of time-resolved Raman scattering system versus different number of photons光子数IRF/ps单光子81.4

双光子57.9

三光子48.8表1 不同光子水平下的时间分辨拉曼散射系统的IRFTable 1 IRF of time-resolved Raman scattering system versus different number of photons

图6(a)和(b)图是在时间分辨拉曼散射测量系统下测得的CCl4的拉曼光谱图, (a)图是采用单光子IRF门限(81.4 ps)在0.5 p.e.光子分辨阈值时测得, (b)图是采用双光子IRF门限(59.7 ps)在1.5 p.e.光子分辨阈值时测得。 在时间分辨拉曼散射测量中, 将IRF门限视为信号测量的选通时间, 门限之外的计数会被完全扣除, 以此扣除部分荧光、 环境杂散光、 器件暗计数、 电子学噪声等对拉曼散射测量的干扰[。 阈值设为0.5 p.e.指的是当脉冲面积小于0.5倍单光子脉冲面积时将被视为噪声不会产生计数, 同理阈值设为1.5 p.e.指的是当脉冲面积小于1.5倍单光子脉冲面积时将被视为噪声不会产生计数。 阈值设为0.5 p.e.可以扣除面积小于0.5倍单光子脉冲面积的电子学噪声对于计数的影响, 阈值设为1.5 p.e.可以扣除面积小于1.5倍单光子脉冲面积的电子学噪声、 器件暗计数、 荧光、 环境杂散光等噪声对于计数的影响。

图6

Fig.6图6 (a) 1 p.e. IRF门限0.5 p.e.阈值时测得的CCl4拉曼光谱图; (b) 2 p.e. IRF门限1.5 p.e.阈值时测得的CCl4拉曼光谱图Fig.6 (a) CCl4 Raman spectra measured by 1 p.e. IRF at 0.5 p.e. threshold; (b) CCl4 Raman spectra measured by 2 p.e. IRF at 1.5 p.e. threshold

图6(a)和(b)两图中, 蓝色十字点为数据处理得到的CCl4的拉曼散射数据点, 粉色曲线是对数据点进行高斯拟合得到的结果, 插图是CCl4 459 cm-1拉曼峰的底部放大结果。 (a)图谱线本底为1.31, 四个峰的峰本比分别为417.2, 475.8, 1 063.6, 184.5。 (b)图谱线本底为0.09, 四个峰的峰本比分别为1 633.3, 2 033.3, 6 800.0, 455.6。

图7是采用所搭建的基于PMT和SR830的传统拉曼散射测量系统测量得到的CCl4的拉曼光谱, 插图是CCl4 459 cm-1拉曼峰底部的放大结果, 基线电流为0.036 nA, 四个拉曼峰的峰本比分别为102.8, 125.0, 275.0, 50.0。

图7

Fig.7图7 传统拉曼散射测量系统测得的CCl4拉曼光谱Fig.7 CCl4 Raman spectra measured by traditional Raman scattering measurement system

对比图6、 图7的数据可以发现, 时间分辨系统采用双光子IRF门限和1.5 p.e.光子分辨阈值所得的CCl4 459 cm-1的光谱峰本比, 是采用单光子IRF门限和0.5 p.e.光子分辨阈值的6.4倍, 而后者又是采用传统的基于PMT和LIA的拉曼散射测量系统的3.9倍。 由此, 证明时间分辨拉曼散射测量系统中高的光子数IRF门限和光子分辨阈值能提升光谱峰本比, 并且可以取代传统的拉曼散射测量系统。

图8(a)和(b)是分别采用时间分辨系统与传统系统测量得到的Si的拉曼光谱图, 两图中的黑色拉曼光谱线可以发现, 两条谱线走向是很一致的, 而且采用高斯拟合后得到的Si的一阶拉曼峰的峰本比也是相同的, 均为3.3。 图8(b)中的黑色谱线是由传统系统测得, 图8(a)中的黑色谱线是由时间分辨系统在不加门限处理时测得, 该结果表明传统系统测得的拉曼光谱峰本比与时间分辨系统在不加门限处理时所得结果相当。 时间分辨系统在采用单光子IRF门限和0.5 p.e.光子分辨阈值时测得拉曼谱线如图8(a)中红色曲线所示, 该曲线的基线基本是平坦的, 其峰本比可达18, 是传统系统所得结果的5.5倍, 体现出时间分辨系统的门限处理对荧光、 环境杂散光、 器件暗计数等噪声有很好的抑制效果。

图8

Fig.8图8 时间分辨(a)和传统(b)拉曼散射测量系统测得Si的拉曼光谱图Fig.8 CCl4 Raman spectra measured by time resolved (a) and traditional (b) Raman scattering measurement system

需要指出的是, Si的拉曼光谱本来是没有荧光基底干扰的。 本系统由于采用了100 kHz的皮秒激光器, 高频率光源是为了提高计数率, 同时, 为了激发出更多的拉曼光子, 单个激光脉冲的能量可达10~20 μ J, 激光功率可达1~2 W。 如此强的激光在经过二向色镜时产生了一定的荧光, 荧光被Si样品反射被系统收集, 不过借此可以体现出时间分辨系统对荧光背景的抑制作用。

3 结 论

TCSPC是一种准确度、 时间分辨率和探测灵敏度都很高的弱光测量技术, 在单分子光谱、 荧光相关谱仪、 时间分辨激光扫描显微测量、 扩展光学层析测量、 激光测距等领域有着广泛的应用。 TCMPC技术充分利用了SiPM具有极佳的光子数分辨本领和时间分辨率特性, 涵盖了TCSPC测量技术, 比TCSPC有更宽的适用范围。 作为TCSPC的拓展和改进, TCMPC具有更高的时间分辨率和测量速度, 有着更大的应用价值。 并且将TCMPC技术用于时间分辨拉曼散射测量中, 证明基于SiPM和TCMPC的时间分辨拉曼散射测量技术可以取代传统的基于PMT和LIA的拉曼散射测量技术, 并且在拉曼光谱峰本比方面具有更好的优势, 在拉曼测量中有着很好的应用前景。 本研究所用SiPM的峰值PDE与激光波长不匹配导致测量效率不能发挥到最好水平, 由于激光频率较高、 功率较大导致光路中产生荧光, 因此所搭建的系统还有进一步提升的空间。

致谢: 北京师范大学NDL实验室已毕业的张国青、 胡小波、 张春玲、 张丽颖、 王慎远等同学在基于SiPM的拉曼散射测量前期所做的工作, 以及北京师范大学分析测试中心的吴正龙老师所给予的建议。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

[1]

Renker D, Lorenz E. 2009, 4, 04004.

[本文引用:2]

[2]

Becker W. 2006, 222(1): 65.

[本文引用:3]

[3]

Morris M D, Matousek P, Towrie M, et al. 2005, 10: 14014.

[本文引用:1]

[4]

Li B C, Miao Q L, Wang B C, et al. Proc. SPIE, 2016, 9850: 98580L.

[本文引用:2]

[5]

Gruber L, Brunner S E, Marton J, et al. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A, 2014, 737: 11.

[本文引用:1]

[6]

Max L A. OALib Journal, 2015, 1507: 00863.

[本文引用:1]

[7]

Fabio A, Alessand ro F, Alberto G, et al. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A, 2015, 784: 34.

[本文引用:1]

[8]

Marinov O, Deen J, Tejada J A, et al. 2007, 101: 064515.

[本文引用:1]

[9]

Gamal A, Paul B, Johann M, et al. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A, 2011, 652: 528.

[本文引用:1]

[10]

Gundacker S, Auffray E, Vara N D, et al. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research A, 2013, 718: 569.

[本文引用:1]

[11]

Sinfield J V, Colic O, Fagerman D, et al. 2010, 64: 201.

[本文引用:1]

2

2009

0.0

0.0

... PMT虽然具有单光子响应能力和很高的增益, 但其探测效率低、 易损坏、 体积大不易集成、 易受磁场干扰[1] ...

... 硅光电倍增管(silicon photomultiplier, SiPM), 得到迅猛发展[1] ...

3

2006

0.0

0.0

... 消除荧光等杂散噪声干扰的一种常用办法是使用时间分辨拉曼光谱技术, 主要通过时间门控技术和时间相关单光子(time-correlated single photon counting, TCSPC)技术[2]来实现 ...

... 1 TCMPC技术TCSPC技术的基本原理: 采用PMT或单光子雪崩光电二极管(SPAD)作为光探测器, 在记录低强度、 高重复频率的光脉冲信号时, 需要将光强衰减得非常弱, 以保证在一个信号周期内探测到一个光子的概率远远小于1, 然后根据它们在信号周期内的时间建立时间分布直方图, 最后统计得到光子数和光子达到时刻的信息[2] ...

... 1[2] ...

1

2005

0.0

0.0

... 根据拉曼散射信号的产生与持续快而短(1 ps左右), 而荧光信号的产生与持续慢而长(一般几百ps至几十ns)的特点[3], 利用短脉冲皮秒激光器以及设定合适的测量时间窗口, 可以将拉曼信号和荧光信号分隔开分别测量, 在数据处理的过程中去除长寿命的荧光光子信号, 可以有效提高拉曼光谱的峰本比 ...

2

2016

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... 2016年, 采用北京师范大学新器件实验室(NDL)研制的SiPM器件, 在TCSPC技术的基础之上, 提出了时间相关多光子计数技术(TCMPC), 并将其应用于时间分辨拉曼散射测量中[4] ...

... SiPM器件的暗计数率、 光学串话率、 光子脉冲面积分布谱、 光子探测效率、 时间分辨率等参数的表征与文献[4]中的方法相同 ...

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2014

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... 在入射光子为多光子的情况下对光子脉冲的面积进行统计[5,6], 便可以得到器件的光子脉冲面积分布谱, 因此根据波形的具体面积便可以辨别出每个脉冲的具体光子数目 ...

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2015

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... 在入射光子为多光子的情况下对光子脉冲的面积进行统计[5,6], 便可以得到器件的光子脉冲面积分布谱, 因此根据波形的具体面积便可以辨别出每个脉冲的具体光子数目 ...

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2015

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... tn为电子学噪声造成的时间抖动(FWHM值)[7], tn#cod#x02248 ...

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2007

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... 系统的IRF由式(3)表示, 整个系统的IRF中贡献最大的就是SiPM的本征时间抖动, 其值与光子数目的1/2次方成反比[8,9,10] ...

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2011

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... 系统的IRF由式(3)表示, 整个系统的IRF中贡献最大的就是SiPM的本征时间抖动, 其值与光子数目的1/2次方成反比[8,9,10] ...

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2013

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... 系统的IRF由式(3)表示, 整个系统的IRF中贡献最大的就是SiPM的本征时间抖动, 其值与光子数目的1/2次方成反比[8,9,10] ...

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2010

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