时间相关单光子计数光谱仪的优化

　  时间相关单光子计数（ＴＣＳＰＣ）技术是时间高分辨光谱、空间高分辨光谱、超高灵敏光谱以及成像光谱技术的基础，在物理学、化学、生命科学［１］、材料学和信息科学技术等领域有着广泛的应用前景，对生物学、生物医学、生物化学、分子生物学、分析化学、组合化学、材料科学、分子计算等都有至关重要的意义。其核心技术已被应用到各种时间－飞行谱仪、测量空间大气的光雷达及光通讯信号传输时间特性测量中，所测得的光谱数据能够深入揭示物质内部的微观作用机制和跃迁动力学进程，具有很高的科学价值和显示度［２］。目前，中科院长春光学精密机械与物理研究所、西南交通大学、山东理工大学等科研院所从事此方面的研究，大部分停留在理论研究或仪器试制阶段。长春光学精密机械与物理研究所研制成功了皮秒时间相关单光子计数光谱仪，但技术还不够成熟，采用分立设备，仪器体积庞大。本研究对光谱仪的数据采集系统进行了改进，研制了基于ＰＣＩ技术的光谱仪数据采集卡，优化了仪器的结构，改善了仪器的性能。

    １　系统的组成及原理

　  依据经典、半经典或量子理论，在被测的微弱随机光场作用下，光电子发射概率密度与光场瞬时强度成正比。降低激光功率，使每一个激光脉冲所含能量足够小，以至于每次激发样品时或者仅有一个荧光光子到达ＰＭＴ的光阴极，或者没有，从而测得单个光电子到达概率分布，也就得到了微弱光场衰变曲线［２］。整套谱仪系统由皮秒激光系统、光学系统、皮秒光探测、皮秒时间相关电子学系统和微机处理系统等几部分组成［１］。

　  皮秒激光系统由锁模氩离子激光器、同步泵浦染料激光器、同步泵浦腔倒空激光器、激光倍频器组成。输出激光波长２９０～３００ｎｍ，脉宽小于２０ｐｓ，重复频率：４ＭＨｚ，８００ｋＨｚ，４００ｋＨｚ，８０ｋＨｚ，４０ｋＨｚ，８ｋＨｚ，４ｋＨｚ，８００Ｈｚ，４００Ｈｚ，单次。另外，系统还可以用钛宝石飞秒激光器、半导体皮秒激光器、纳秒闪光灯等作为光源。激光系统输出的激光被分成两束，分别激发测试样品和超快ＰＩＮ光电二极管。

　  仪器的光学系统的主体部分是消时间弥散分光系统，配有前置的样品室和光会聚系统。皮秒探测系统由两部分组成，分别为超快ＰＩＮ光电二极管和微通道板ＰＭＴ。如前所述，在分别探测到激光和样品发射的荧光后输出电脉冲，经ＧＨｚ前置放大器，ＰＩＣＯ鉴别器处理后，为时间－高度转换器提供计时起始和终止时间。皮秒电子学系统由两套ＧＨｚ放大器、ＰＩＣＯ鉴别器及时间－高度转换器、多道谱分析仪组成。时间－高度转换器由两计时脉冲来驱动它的起始、终止电路，并且产生一正比于时间差的电脉冲。光谱仪系统利用多道分析仪开设时间窗口，可以很方便地测量样品的荧光寿命和时间分辨光谱。