專利名稱：一種光子序列到達(dá)時(shí)間的連續(xù)測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型提出一種光子序列到達(dá)時(shí)間的測量裝置，涉及單光子探測技術(shù)，時(shí)間 相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)和時(shí)間測量技術(shù)等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光子序列到達(dá)時(shí)間的測量不僅在量子光學(xué)、量子成像、脈沖星導(dǎo)航、高能物理等基 礎(chǔ)研究領(lǐng)域有重要的應(yīng)用，在深空探測、激光測距、熒光壽命測量等應(yīng)用領(lǐng)域有著極其廣泛 的應(yīng)用。目前報(bào)道的多個(gè)光子到達(dá)時(shí)間的測量的技術(shù)是時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù) (time-correlated single photon counting, TCSPC)，其原理是，在記錄低強(qiáng)度，周期性的 光脈沖信號(hào)時(shí)，當(dāng)探測到光子時(shí)，記錄在光脈沖信號(hào)周期內(nèi)光子的到達(dá)時(shí)間，每探測到一個(gè) 光子，就在對(duì)應(yīng)得存儲(chǔ)器單元中加一，存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)單元的地址與探測時(shí)間對(duì)應(yīng)。多次重復(fù) 上述過程，記錄多個(gè)光子后，存儲(chǔ)器的各單元的光子數(shù)分布就對(duì)應(yīng)光脈沖的波形，時(shí)間測量 模塊一般采用TAC-ADC (時(shí)間幅度轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器)模塊或TDC (時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器)模 塊。時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)存在的問題，一是不能連續(xù)測量到達(dá)光子序列相對(duì)于同 一起始點(diǎn)的時(shí)間和無法記錄周期信號(hào)內(nèi)出現(xiàn)多個(gè)光子的情況。二是測量范圍有限，雖然 TAC-ADC或TDC有非常高的時(shí)間測量精度以達(dá)到皮秒量級(jí)，但測量范圍有限，最大測量范圍 為幾百個(gè)微妙。如ACAM公司TDC芯片的TDC-GPX可以達(dá)到10皮秒的時(shí)間精度。但測量范 圍為1微秒。三是應(yīng)用范圍有限，多用在記錄低強(qiáng)度，高重復(fù)頻率的脈沖信號(hào)。如熒光壽命 測量，熒光光譜測量，熒光顯微等。
發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有的光子序列到達(dá)時(shí)間的測量裝置不能連續(xù)測量、測量范圍窄、應(yīng)用 范圍有限的技術(shù)問題，本實(shí)用新型針對(duì)所存在的技術(shù)問題提出一種光子序列到達(dá)時(shí)間的連 續(xù)測量裝置，具體解決方案如下一種光子序列到達(dá)時(shí)間的連續(xù)測量裝置，其特殊之處在于包括單光子探測器、前 置放大器、恒比鑒別器CFD、原子鐘、計(jì)數(shù)器、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC、控制器、存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘 驅(qū)動(dòng)單元以及計(jì)算機(jī)，所述單光子探測器輸出單光子脈沖經(jīng)過前置放大器進(jìn)入恒比鑒別器CFD輸出數(shù) 字脈沖信號(hào)，所述恒比鑒別器CFD輸出端與控制器連接，所述原子鐘輸出的方波脈沖送入計(jì)數(shù)器作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)對(duì)象，所述原子鐘輸出 的方波脈沖送入時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC，該方波脈沖的上升沿作為時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的起始信 號(hào)，所述恒比鑒別器輸出數(shù)字脈沖信號(hào)送入時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC，該數(shù)字脈沖信號(hào)的 上升沿作為時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的停止信號(hào)，[0010]所述控制器的控制端分別與計(jì)數(shù)器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器以及存儲(chǔ)單元連接，用于控制計(jì) 數(shù)器中的粗測時(shí)間和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC緩存中的細(xì)測時(shí)間在控制器接收到恒比鑒別器 輸出信號(hào)的上升沿時(shí)，同步存入存儲(chǔ)單元，所述時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC、控制器以及存儲(chǔ)單元協(xié)同工作，所述存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的粗測時(shí)間和細(xì)測時(shí)間送入計(jì)算機(jī)。上述存儲(chǔ)單元包括第一存儲(chǔ)器和第二存儲(chǔ)器，所述控制器還可控制第一存儲(chǔ)器和 第二存儲(chǔ)器間的相互切換。上述時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)單元包括石英晶振和倍頻電路，所述石英晶振經(jīng)過倍頻電路處理后 輸出時(shí)鐘信號(hào)。上述所述第一存儲(chǔ)器和第二存儲(chǔ)器為先進(jìn)先出存儲(chǔ)器。上述原子鐘為銣原子鐘、銫原子鐘或氫原子鐘；單光子探測器是光電倍增管PMT、 微通道板(MCP)或雪崩光電二極管(APD)。一種光子序列到達(dá)時(shí)間的連續(xù)測量方法，其特殊之處在于包括以下步驟1確定光子序列的到達(dá)時(shí)間測量的起始點(diǎn)通過外部觸發(fā)，輸入與原子鐘輸入脈沖上升沿同步的開始測量信號(hào)RESTART。開始 測量信號(hào)RESTART的上升沿對(duì)計(jì)數(shù)器和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器復(fù)位清零，開始測量信號(hào)RESTART 的上升沿為光子序列中所有光子到達(dá)時(shí)間的起始時(shí)刻；2產(chǎn)生光子序列中各光子到達(dá)的定時(shí)信號(hào)；2. 1由時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)、控制器以及存 儲(chǔ)器協(xié)同工作；2. 2恒比鑒別器產(chǎn)生光子到達(dá)的定時(shí)信號(hào)2. 2.1]由一系列離散的光子序列組成的入射光入射單光子探測器，當(dāng)單光子探測 器探測到一個(gè)光子時(shí)，單光子探測器輸出一個(gè)電子脈沖信號(hào)；2. 2. 2單光子探測器輸出的電子脈沖信號(hào)經(jīng)過前置放大器放大后進(jìn)入恒比鑒別 器(CFD)；2. 2. 3恒比鑒別器(CFD)將前置放大器輸出的電子脈沖信號(hào)的上升沿作為單光 子達(dá)到的定時(shí)點(diǎn)，產(chǎn)生數(shù)字觸發(fā)脈沖信號(hào)作為單光子達(dá)到定時(shí)信號(hào)；3測量粗測時(shí)間T和細(xì)測時(shí)間t3. 1記錄光子到達(dá)的粗測時(shí)間3. 1. 1原子鐘輸出方波脈沖，在開始測量后，RESTART信號(hào)的上升沿對(duì)計(jì)數(shù)器清 零，計(jì)數(shù)器從零開始對(duì)原子鐘輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)；RESTART信號(hào)的上升沿為所有光 子到達(dá)粗測時(shí)間的共同起始時(shí)間。3. 1. 2控制器收到恒比鑒別器(CFD)發(fā)送的單光子達(dá)到定時(shí)信號(hào)的上升沿時(shí)，驅(qū) 動(dòng)計(jì)數(shù)器輸出計(jì)數(shù)值并存儲(chǔ)至存儲(chǔ)器中，單光子達(dá)到定時(shí)信號(hào)脈沖的上升沿作為該光子粗 測時(shí)間的停止時(shí)間，此時(shí)計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值即為光子到達(dá)的粗測時(shí)間；3. 2記錄光子到達(dá)的細(xì)測時(shí)間3. 2. 1原子鐘輸出方波脈沖到達(dá)時(shí)，方波脈沖的上升沿觸發(fā)數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)的 開始(start)信號(hào)，作為細(xì)測時(shí)間的起始信號(hào)。3. 2. 2當(dāng)恒比鑒別器(CFD)輸出的單光子定時(shí)信號(hào)到達(dá)時(shí)，單光子定時(shí)信號(hào)的上升沿觸發(fā)數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)停止(stop)信號(hào)，作為細(xì)測時(shí)間的停止信號(hào)；3. 2. 3收到停止信號(hào)后，數(shù)字轉(zhuǎn)換器把開始信號(hào)和停止信號(hào)之間的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)化 為數(shù)字量并存至數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)內(nèi)部的緩存中，同時(shí)，控制器收到恒比鑒別器(CFD)發(fā)送 的單光子達(dá)到定時(shí)信號(hào)后，驅(qū)動(dòng)數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)輸出數(shù)字量值，存儲(chǔ)至存儲(chǔ)單元中，此時(shí) 存儲(chǔ)單元中的數(shù)字量即為光子到達(dá)的細(xì)測時(shí)間；4計(jì)算光子序列中各光子的到達(dá)時(shí)間粗測時(shí)間=計(jì)數(shù)值X原子鐘輸出脈沖的周期；細(xì)測時(shí)間=數(shù)字量X數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC的精度光子達(dá)到的時(shí)間=粗測時(shí)間+細(xì)測時(shí)間。上述連續(xù)測量方法還包括存儲(chǔ)器的切換步驟，具體為第一存儲(chǔ)器開始存儲(chǔ)光子序列的粗測時(shí)間和細(xì)測時(shí)間，當(dāng)?shù)谝淮鎯?chǔ)器已滿時(shí)，控 制器將第一存儲(chǔ)器切換到第二存儲(chǔ)器開始記錄，同時(shí)并行地將第一存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)通過計(jì)算 機(jī)接口讀出到計(jì)算機(jī)內(nèi)存或硬盤上；當(dāng)?shù)诙鎯?chǔ)器已滿時(shí)，控制器將第二存儲(chǔ)器切換到第一存儲(chǔ)器開始記錄，同時(shí)并 行地將第二存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)接口讀出到計(jì)算機(jī)內(nèi)存或硬盤上。上述步驟3是循環(huán)進(jìn)行的。上述時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)單元為石英晶振經(jīng)過倍頻處理。上述原子鐘為銣原子鐘、銫原子鐘或氫原子鐘；單光子探測器是光電倍增管PMT、 微通道板(MCP)或雪崩光電二極管(APD)。本實(shí)用新型所具有的優(yōu)點(diǎn)1、光子到達(dá)時(shí)間的測量范圍寬本實(shí)用新型采用粗時(shí)間測量和細(xì)時(shí)間測量相結(jié)合 的方法，擴(kuò)展光子到達(dá)時(shí)間的測量范圍。通過對(duì)原子鐘輸出的高穩(wěn)定脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，來測量 光子到達(dá)的粗時(shí)間，具有非常高的穩(wěn)定度，克服長時(shí)間采集帶來的漂移。采用TDC來測量 光子到達(dá)的定時(shí)脈沖與原子鐘最近輸出脈沖的時(shí)間間隔作為光子到達(dá)的細(xì)時(shí)間，細(xì)時(shí)間的 測量具有非常高的精度。原子鐘輸出的頻率一般較低(如銣原子鐘有1M、5M或IOM三種 輸出)，如果計(jì)數(shù)器設(shè)置為36位，通過對(duì)IM的銣原子鐘輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，測量范圍可達(dá) 19. 09個(gè)小時(shí)。2、光子到達(dá)時(shí)間測量的精度高TDC時(shí)間間隔測量具有非常高的時(shí)間精度。目前 商用TDC，如ACAM公司的TDC-GPX可以達(dá)到10皮秒的時(shí)間精度。用FPGA實(shí)現(xiàn)的TDC也可 以實(shí)現(xiàn)幾十皮秒的精度。因此細(xì)時(shí)間的測量精度非常高。由于原子鐘輸出的頻率穩(wěn)定度非 常高，因此粗測時(shí)間可以達(dá)到非常高的測量精度。因此最后光子到達(dá)時(shí)間的測量精度也可 以達(dá)到皮秒量級(jí)。3、光子到達(dá)時(shí)間測量的穩(wěn)定性高原子鐘主要有銣原子、銫原子鐘和氫原子鐘等， 原子鐘具有非常高的穩(wěn)定度，一般在頻率穩(wěn)定度在10_"左右，可以克服長時(shí)間采集的漂移。4、連續(xù)、無限的光子到達(dá)時(shí)間測量通過控制器對(duì)計(jì)數(shù)器和TDC內(nèi)數(shù)據(jù)緩存的讀 取和兩個(gè)先進(jìn)先出存儲(chǔ)器進(jìn)行切換等操作，實(shí)現(xiàn)連續(xù)的，無限的光子序列到達(dá)時(shí)間的測量。5、高速數(shù)據(jù)處理石英晶振經(jīng)過倍頻后，產(chǎn)生高頻率的時(shí)鐘，驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器、TDC、控 制器和存儲(chǔ)器協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)流，提高計(jì)數(shù)率。6、本實(shí)用新型通過通信接口將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀取到計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，得到光子序列中各光子的到達(dá)時(shí)間。
圖1為本實(shí)用新型光子序列到達(dá)時(shí)間的連續(xù)測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型時(shí)序圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型的目的是提出一種光子序列到達(dá)時(shí)間高精度、連續(xù)測量的方法。光子 到達(dá)時(shí)間測量范圍寬的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光子序列中各光子到達(dá)時(shí)間高精度、連續(xù)不間斷測量， 克服現(xiàn)有時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)技術(shù)中，光子到達(dá)時(shí)間測量范圍窄，不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)測量等方 面的不足。通過對(duì)光子序列中各光子到達(dá)時(shí)間的數(shù)據(jù)處理，可以獲得入射光的多種信息，包 括光強(qiáng)隨時(shí)間變化的性質(zhì)，光子分布的性質(zhì)等。因此本實(shí)用新型在量子光學(xué)，脈沖星導(dǎo)航等 基礎(chǔ)研究中有重要的應(yīng)用。本實(shí)用新型除了用于光子序列到達(dá)時(shí)間的測量外，使用不同的 探測器，還可以實(shí)現(xiàn)高能光子、電子、帶電粒子等粒子流到達(dá)時(shí)間的連續(xù)，高精度測量。因此 本實(shí)用新型可以用于高能物理，深空探測、光譜測量和生物發(fā)光探測等領(lǐng)域。本實(shí)用新型提出光子序列到達(dá)時(shí)間的連續(xù)測量方法，該方法如圖1所示，由單光 子探測器，前置放大器，恒比鑒別器(CFD)，原子鐘，(時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器)TDC，石英晶振、倍頻 器，控制器、計(jì)數(shù)器、第一存儲(chǔ)器、第二存儲(chǔ)器、計(jì)算機(jī)通信接口和計(jì)算機(jī)構(gòu)成。單光子探測 器輸出單光子脈沖經(jīng)過前置放大器進(jìn)入恒比鑒別器(CFD)輸出數(shù)字脈沖信號(hào)，恒比鑒別器 (CFD)輸出端與控制器連接，原子鐘輸出的脈沖信號(hào)為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)對(duì)象，原子鐘輸出的方 波脈沖的上升沿為時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)起始信號(hào)，恒比鑒別器輸出數(shù)字脈沖信號(hào)的上升 沿為時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)的停止信號(hào)，控制器接收到恒比鑒別器輸出信號(hào)的上升沿時(shí)控 制計(jì)數(shù)器中粗測時(shí)間和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)緩存中細(xì)測時(shí)間同步存入存儲(chǔ)單元，時(shí)鐘驅(qū) 動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)、控制器以及存儲(chǔ)單元快速協(xié)同工作，存儲(chǔ)單元中的 粗測時(shí)間和細(xì)測時(shí)間通過計(jì)算機(jī)輸出。單光子探測器輸出單光子脈沖，經(jīng)過前置放大器后，進(jìn)入恒比鑒別器(CFD)，CFD 選擇在脈沖幅度的某處產(chǎn)生作為定時(shí)點(diǎn)，輸出的光子到達(dá)的定時(shí)信號(hào)脈沖。光子到達(dá)時(shí)間 的測量采用粗時(shí)間測量和細(xì)時(shí)間測量相結(jié)合的方法。通過對(duì)原子鐘的輸出的高頻率穩(wěn)定度 的周期性脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來測量光子到達(dá)的粗時(shí)間。采用TDC來測量光子到達(dá)的定時(shí)脈沖和 原子鐘最近輸出脈沖的時(shí)間間隔作為光子到達(dá)的細(xì)時(shí)間。控制器把計(jì)數(shù)器中的粗測時(shí)間和 TDC緩存中的細(xì)測時(shí)間，同步存入先進(jìn)先出存儲(chǔ)單元，存儲(chǔ)單元采用兩個(gè)存儲(chǔ)器切換的方式 實(shí)現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)連續(xù)、無限記錄光子序列的粗時(shí)間和細(xì)時(shí)間。石英晶振經(jīng)過倍頻后，產(chǎn)生高頻率 的時(shí)鐘，驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器、TDC、控制器和存儲(chǔ)器等快速協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)流。通過通信 接口將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)讀取到計(jì)算機(jī)，然后進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，得到光子序列中各光子的到 達(dá)時(shí)間。本實(shí)用新型還提供一種光子序列到達(dá)時(shí)間的連續(xù)測量方法具體步驟如下1)開始測量，確定光子序列的到達(dá)時(shí)間測量的起始點(diǎn)在要開始測量時(shí)，通過手動(dòng)觸發(fā)或外部觸發(fā)，引入與原子鐘輸入脈沖上升沿同步 的開始測量命令的RESTART信號(hào)。RESTART信號(hào)的上升沿對(duì)計(jì)數(shù)器和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器復(fù)位清零，RESTART信號(hào)的上升沿為光子序列中所有光子到達(dá)時(shí)間的共同起始時(shí)刻。2產(chǎn)生光子到達(dá)的定時(shí)信號(hào)在射光非常微弱時(shí)，入射光可以看作一系列離散的光子序列，當(dāng)探測到的一個(gè)光 子時(shí)，單光子探測器輸出一個(gè)電子脈沖，每個(gè)脈沖代表探測到一個(gè)光子，由于探測器直接輸 出的電子脈沖幅度非常小，因此采用前置放大器將信號(hào)放大，然后進(jìn)入恒比鑒別器CFD，恒 比鑒別器CFD的作用是選擇在電子脈沖上的某處作為定時(shí)點(diǎn)，產(chǎn)生數(shù)字觸發(fā)脈沖。該觸發(fā) 脈沖作為單光子到達(dá)定時(shí)信號(hào)，其上升沿代表光子到達(dá)的時(shí)間。恒比鑒別器CFD在脈沖幅 度比值恒定時(shí)觸發(fā)，避免了探測器直接輸出電子脈沖幅度抖動(dòng)引起的定時(shí)誤差。 單光子探測器可以采用光電倍增管PMT，微通道板MCP，雪崩光電二極管APD等，恒 比鑒別器CFD —般在高能物理中應(yīng)用較多，商用恒比鑒別器CFD如ORTECT公司的CFD853記錄光子到達(dá)的粗測時(shí)間。采用原子鐘(如銣原子鐘，銫原子鐘，氫原子鐘)輸出高頻率穩(wěn)定度的周期性方波 脈沖，在開始測量后，RESTART信號(hào)的上升沿對(duì)計(jì)數(shù)器清零，計(jì)數(shù)器對(duì)原子鐘輸出的脈沖從 零開始進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)探測到光子時(shí)，步驟一中產(chǎn)生的光子到達(dá)定時(shí)信號(hào)觸發(fā)計(jì)數(shù)器輸出計(jì) 數(shù)值到第一存儲(chǔ)器或第二存儲(chǔ)器。計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)數(shù)值就代表光子到達(dá)的粗測時(shí)間。計(jì)數(shù)器的位數(shù)決定著粗測時(shí)間的測量范圍，銣原子鐘有1M，5M或IOM三種頻率輸 出，如果計(jì)數(shù)器設(shè)置為36位，通過對(duì)IM的銣原子鐘輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，測量范圍可達(dá)19. 09 個(gè)小時(shí)。原子鐘輸出的頻率穩(wěn)定度非常高，如商用銣原子鐘，頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10—11。即 300年約相差1秒。因此粗測時(shí)間可以達(dá)到非常高的測量精度。因此用較少的數(shù)據(jù)量，精確 記錄長時(shí)間的測量范圍，提高了計(jì)數(shù)率。4記錄光子到達(dá)的細(xì)測時(shí)間。TDC可高精度地測量起始START信號(hào)與停止STOP信號(hào)間的時(shí)間間隔。本實(shí)用新 型采用時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC來測量光子到達(dá)的細(xì)時(shí)間，具體方法是原子鐘輸出的脈沖作為 時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器TDC的起始START信號(hào)，單光子到達(dá)定時(shí)信號(hào)作為STOP信號(hào)。探測到光子 時(shí)，步驟一中產(chǎn)生的光子到達(dá)定時(shí)信號(hào)觸發(fā)TDC的STOP，此時(shí)TDC的START信號(hào)為單光子到 達(dá)定時(shí)信號(hào)之前，原子鐘輸出的最近輸出的脈沖，時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器將開始信號(hào)和停止信號(hào) 間的時(shí)間間隔轉(zhuǎn)化為數(shù)字量并存儲(chǔ)在TDC內(nèi)部的緩存中，該數(shù)字量代表了光子到達(dá)的細(xì)測 時(shí)間。TDC可以采用商業(yè)用的TDC芯片，如ACAM公司的TDC-GPX，它工作在M模式時(shí)間精 度可以達(dá)到10皮秒。測量范圍為0 10微秒，TDC也可以采用FPGA實(shí)現(xiàn)，精度可達(dá)到幾 十皮秒。5連續(xù)、無限記錄光子序列的粗測時(shí)間和細(xì)測時(shí)間。探測到光子時(shí)，步驟一中產(chǎn)生的光子到達(dá)定時(shí)信號(hào)觸發(fā)控制器，控制器在每收到 一個(gè)光子到達(dá)定時(shí)信號(hào)脈沖的上升沿，就把計(jì)數(shù)器中代表粗測時(shí)間值的數(shù)字量和TDC緩存 中代表細(xì)測時(shí)間值得數(shù)字量同步存入現(xiàn)進(jìn)先出存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)器采用第一存儲(chǔ)器和第二存儲(chǔ) 器切換方式實(shí)現(xiàn)無限記錄。具體方法是從當(dāng)探測到光子時(shí)，第一存儲(chǔ)器開始存儲(chǔ)光子序列 的粗測時(shí)間和細(xì)測時(shí)間，當(dāng)?shù)谝淮鎯?chǔ)器已滿時(shí)，控制器切換到第二存儲(chǔ)器開始記錄，同時(shí)并 行地將第一存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)接口讀出到計(jì)算機(jī)內(nèi)存或硬盤上。同理第二存儲(chǔ)器已 滿時(shí)，控制器切換到第一存儲(chǔ)器開始記錄，同時(shí)并行地將第二存儲(chǔ)器的數(shù)據(jù)通過計(jì)算機(jī)接口讀出到計(jì)算機(jī)內(nèi)存或硬盤上。計(jì)算機(jī)或硬盤有足夠的空間來存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。6加速數(shù)據(jù)流將石英晶振經(jīng)過倍頻后，作為驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘，驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器、TDC、控制器、先進(jìn)先出存儲(chǔ) 器，提高步驟二到步驟四的處理速度，加速數(shù)據(jù)流，提高計(jì)數(shù)率。如50M頻率的石英晶振經(jīng) 過4倍頻后可達(dá)200M的時(shí)鐘輸出，由于讀取計(jì)數(shù)器的粗時(shí)間值和TDC中緩存的細(xì)時(shí)間值、 并存到先進(jìn)先出存儲(chǔ)器只需2個(gè)時(shí)鐘周期。因此本實(shí)用新型可以達(dá)到100M的計(jì)數(shù)率。對(duì)晶振信號(hào)的倍頻一般可以采用FPGA芯片內(nèi)部的模塊實(shí)現(xiàn)，不同的廠家的FPGA 實(shí)現(xiàn)的倍頻機(jī)制不盡相同，如Xinlinx公司的FPGA芯片用內(nèi)部的DCM(數(shù)字時(shí)鐘管理)模 塊來實(shí)現(xiàn)倍頻。Altera公司的FPGA采用PLL(鎖相環(huán))來實(shí)現(xiàn)倍頻。7計(jì)算光子序列中各光子的到達(dá)時(shí)間粗測時(shí)間=計(jì)數(shù)值X原子鐘輸出脈沖的周期細(xì)測時(shí)間=TDC緩存中的值X TDC的精度光子達(dá)到的時(shí)間=粗測時(shí)間+細(xì)測時(shí)間計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)處理所讀取的數(shù)據(jù)，并利用以上關(guān)系，計(jì)算出光子序列中各光子 的到達(dá)時(shí)間。通過對(duì)光子序列中各光子到達(dá)時(shí)間的數(shù)據(jù)處理，可以獲得入射光的多種信息，包 括光強(qiáng)隨時(shí)間變化的性質(zhì)，光子分布的性質(zhì)等。因此本實(shí)用新型在量子光學(xué)，量子通信等基 礎(chǔ)研究中有重要的應(yīng)用。本實(shí)用新型除了用于光子序列到達(dá)時(shí)間的測量外，使用不同的探 測器，還可以實(shí)現(xiàn)高能光子、電子、帶電粒子等粒子流到達(dá)時(shí)間的連續(xù)，高精度測量。因此本 實(shí)用新型可以用于高能物理，深空探測、光譜測量和生物發(fā)光探測等領(lǐng)域。
權(quán)利要求1.一種光子序列到達(dá)時(shí)間的連續(xù)測量裝置，其特征在于包括單光子探測器、前置放 大器、恒比鑒別器(CFD)、原子鐘、計(jì)數(shù)器、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)、控制器、存儲(chǔ)單元、時(shí)鐘 驅(qū)動(dòng)單元以及計(jì)算機(jī)，所述單光子探測器輸出單光子脈沖經(jīng)過前置放大器進(jìn)入恒比鑒別器(CFD)輸出數(shù)字 脈沖信號(hào)，所述恒比鑒別器(CFD)輸出端與控制器連接，所述原子鐘輸出的方波脈沖送入計(jì)數(shù)器作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)對(duì)象，所述原子鐘輸出的方 波脈沖送入時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)，該方波脈沖的上升沿作為時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的起始信號(hào)，所述恒比鑒別器輸出數(shù)字脈沖信號(hào)送入時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)，該數(shù)字脈沖信號(hào)的上 升沿作為時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的停止信號(hào)，所述控制器的控制端分別與計(jì)數(shù)器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器以及存儲(chǔ)單元連接，用于控制計(jì)數(shù)器 中的粗測時(shí)間和時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)緩存中的細(xì)測時(shí)間在控制器接收到恒比鑒別器輸 出信號(hào)的上升沿時(shí)，同步存入存儲(chǔ)單元，所述時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)計(jì)數(shù)器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器(TDC)、控制器以及存儲(chǔ)單元協(xié)同工作，所述存儲(chǔ)單元中存儲(chǔ)的粗測時(shí)間和細(xì)測時(shí)間送入計(jì)算機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光子序列到達(dá)時(shí)間的連續(xù)測量裝置，其特征在于所述存儲(chǔ)單元包括第一存儲(chǔ)器和第二存儲(chǔ)器，所述控制器還可控制第一存儲(chǔ)器和第二 存儲(chǔ)器間的相互切換。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光子序列到達(dá)時(shí)間的連續(xù)測量裝置，其特征在于所述 時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)單元包括石英晶振和倍頻電路，所述石英晶振經(jīng)過倍頻電路處理后輸出時(shí)鐘信 號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光子序列到達(dá)時(shí)間的連續(xù)測量裝置，其特征在于所述所述 第一存儲(chǔ)器和第二存儲(chǔ)器為先進(jìn)先出存儲(chǔ)器。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光子序列到達(dá)時(shí)間的連續(xù)測量裝置，其特征在于所述原子 鐘為銣原子鐘、銫原子鐘或氫原子鐘；單光子探測器是光電倍增管(PMT)、微通道板(MCP) 或雪崩光電二極管(APD)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種光子序列到達(dá)時(shí)間的連續(xù)測量裝置，包括單光子探測器、前置放大器、恒比鑒別器、原子鐘、計(jì)數(shù)器、時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器、控制器、存儲(chǔ)單元以及計(jì)算機(jī)，恒比鑒別器輸出端與控制器連接，原子鐘輸出的方波脈沖為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)對(duì)象，方波脈沖送入時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器，方波脈沖的上升沿為時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的起始信號(hào)，數(shù)字脈沖信號(hào)的上升沿為時(shí)間數(shù)字轉(zhuǎn)換器的停止信號(hào)，控制器的控制端分別與計(jì)數(shù)器、數(shù)字轉(zhuǎn)換器以及存儲(chǔ)單元連接，用于控制粗測時(shí)間和細(xì)測時(shí)間同步存入存儲(chǔ)單元。本實(shí)用新型解決了現(xiàn)有的光子序列到達(dá)時(shí)間的測量裝置不能連續(xù)測量、測量范圍窄、應(yīng)用范圍有限的技術(shù)問題，本實(shí)用新型測量范圍寬、光子到達(dá)時(shí)間測量的精度高。
文檔編號(hào)G04F5/14GK201926878SQ20102067717
公開日2011年8月10日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月23日
發(fā)明者劉永安, 盛立志, 趙寶升, 鄢秋榮 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所