一种皮秒单光子计数光谱仪数据采集系统

　　引 言

　　时间相关单光子计数光谱方法(Time-Correlated Single Photon Counting, TCSPC)适于皮秒、纳秒及微秒时间尺度的荧光衰减和时间分辨光谱测量。它采用统计方法，直接给出荧光寿命;具有光子计数探测能力，测试精度高，动态范 围大，可以在低激发密度下，研究荧光量子产额低的样品;还能够采用激发密度分辨的方法研究复杂过程。研制的皮秒 TCSPC 光谱仪具有最高的灵敏度—单光子计数，荧光寿命可达到皮秒量级，而且时间分辨率可以达到8.8ps，还能够根据需要重新组合配置，获得不同功能，而且具有 极高的测试精度和较大的动态范围。光谱仪系统由皮秒激光系统、光学系统、皮秒光探测系统、皮秒时间相关电子学系统和微机处理系统等几部分组成(见图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和激光倍频器组成。输出激光波长290~300nm, 脉宽小于 20ps, 重复频率(Hz)有 4M, 800K, 400K, 80K,40K, 8K, 4K, 800, 400, 单次。另外，系统还可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。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。而皮秒电子学系统由两套 GHz 放大器、PICO 鉴别器和时幅转换器组成。数据采集处理系统包括多道分析仪和数据处理软件。

　　该光谱仪数据采集系统的低采集速率使得仪器的性能不能充分发挥，同时还有体积大、价格昂贵等缺点。本文利用PCI 总线的高传输数度及良好的接口特性，以 PCI 总线数据采集卡替代原光谱仪中的多道分析仪，经试验取得了预期效果。

　　1 系统的组成和工作原理

　　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。在PCI 数据采集卡的设计中，我们采用了多道定标技术(MCS)[2]。即将测量过程划分成时间上等间隔的时间段，每段称为一道，并在存储器中对应相应的一个地 址。经多次触发测量，最后对存储在各个地址中的数据进行统计，得到每道的测量值，由此获取以时间为函数的光子数量分布曲线，从而得到样品的荧光衰减曲线。 在本采集电路中，道的时间间隔可实现程控选择。

　　使用PCI 数据采集卡代替了多道分析仪之后的系统框图见图2，用皮秒激光系统高重复频率的锁模短脉冲激光激发样品，样品发射荧光，经过分光系统，用微通道板PMT 做皮秒光子探测器，探测每次激发所获得的荧光光子数量。微通道板 PMT的输出脉冲经快速前置放大器-放大器-甄别器后接入到数据采集卡的输入端，由高速计数器计数后存入数据采集卡存储器中相应的道地址。使用超快 PIN 光电二极管作为皮秒多光子探测器，探测激光光场到达时间，作为计数起始信号。在采集卡存储器存满或采集完成时，由数据采集卡触发PCI 总线中断将数据读入内存交数据处理软件处理.