高級時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)

前言

時間相關(guān)單光子計數(shù)（time-correlated single photon Counting，TCSPC）技術(shù)是一項具有驚人靈敏度的技術(shù)，在記錄低強度的光信號時可以達到皮秒量級的時間分辨率，并且準確度極高。TCSPC技術(shù)是20世紀60年代晚期開始出現(xiàn)的，最早發(fā)源于對原子核激發(fā)態(tài)的測量。在很長一段時間里，TCSPC技術(shù)主要用于記錄溶液中有機染料的熒光衰減曲線。然而，在七八十年代，由于光源的強度和重復(fù)頻率低，而且電子學領(lǐng)域發(fā)展緩慢，TCSPC的信號采集需要很長的時間。更重要的是，傳統(tǒng)的TCSPC技術(shù)本質(zhì)上是一維的，也就是說，TCSPC只能記錄周期性光信號的波形。近十年來，TCSPC技術(shù)取得了驚人的發(fā)展?；谛碌霓D(zhuǎn)化原理，信號采集時間已經(jīng)比原來縮短了100倍。而且，先進的TCSPC技術(shù)將信號視為一個多維的光子分布，這個分布的自變量可以是多種不同的參數(shù)，例如相對于激發(fā)脈沖的時間、空問坐標、波長、偏振，或者相對于實驗開始的時間等。光子的這些參數(shù)可以在一個較長的時間內(nèi)進行積累，也可以逐個光子進行記錄和分析。然而，先進的TCSPC技術(shù)的這種多維特性還沒有普及開來，因此其應(yīng)用也尚未被有效開發(fā)。本書旨在幫助現(xiàn)有的和潛在的TCSPC用戶更好地了解他們的設(shè)備，設(shè)計新的實驗，從而獲得新的科研成果。在此，我要感謝我的朋友——深圳大學的屈軍樂教授將本書翻譯成中文。屈教授是生物光子學技術(shù)方面的專家，他使用TCSPC技術(shù)已有多年。因此，我確信本書的翻譯水平很高。

內(nèi)容概要

本書系統(tǒng)論述了高級時間相關(guān)單光子計數(shù)（TCSPC）技術(shù)的基本原理、實現(xiàn)方法和系統(tǒng)組成，以及該技術(shù)在時間分辨激光掃描顯微、單分子光譜、光子關(guān)聯(lián)實驗和生物組織擴散光層析中的最新應(yīng)用，重點介紹了該技術(shù)所用的光子計數(shù)探測器的種類、特點、性能參數(shù)以及測量方法等。同時，本書還對如何建造TCSPC實驗系統(tǒng)給出了實際的指導，包括選擇和使用探測器、探測器的使用安全、預(yù)放以及TCSPC器件的控制特征和優(yōu)化操作條件等。本書深入淺出，既把握了TCSPC的最新發(fā)展趨勢，又從使用的角度介紹了很多寶貴的經(jīng)驗，對所有需要在皮秒和納秒級范圍內(nèi)從事微弱光信號記錄的研究和開發(fā)人員來說是必不可少的工具。    本書可供從事生物學、化學、醫(yī)學、工學、理學等相關(guān)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是從事生物醫(yī)學光子學研究的學者、工程技術(shù)人員、研究生和高年級本科生參考。

作者簡介

作者：(德國)貝克爾(W.Becker) 譯者：屈軍樂

書籍目錄

序譯者序中文版序Preface to Chinese Edition原書序術(shù)語及符號列表第1章 光信號記錄第2章 光子計數(shù)技術(shù)概論  2.1 穩(wěn)態(tài)光子計數(shù)  2.2 門控光子計數(shù)  2.3 多通道計數(shù)器    2.3.1 直接累加的高速多路計數(shù)器    2.3.2 事件記錄  2.4 TCSPC技術(shù)    2.4.1 基本原理    2.4.2 TCSPC的典型裝置    2.4.3 反轉(zhuǎn)啟一停第3章 多維TCSPC技術(shù)  3.1 多探測器TCSPC  3.2 多路復(fù)用TCSPC  3.3 序列記錄技術(shù)  3.4 掃描技術(shù)  3.5 位置敏感探測成像    3.5.1 基于電荷分配的技術(shù)    3.5.2 基于脈沖延時的技術(shù)  3.6 時間一標簽記錄  3.7 多模塊系統(tǒng)第4章 高級TCSPC系統(tǒng)的組成模塊  4.1 恒比鑒別器  4.2 時間測量模塊    4.2.1 基于高速TAC—ADC原理的時間測量技術(shù)    4.2.2 數(shù)字化TDC      4.2.3 正弦波轉(zhuǎn)換第5章 現(xiàn)代TCSPC技術(shù)的應(yīng)用  5.1 傳統(tǒng)的熒光壽命實驗    5.1.1 時間分辨熒光    5.1.2 熒光壽命光譜儀    5.1.3 熒光的去偏振效應(yīng)    5.1.4 再吸收和再發(fā)射    5.1.5 高效探測系統(tǒng)    5.1.6 儀器響應(yīng)函數(shù)的測量    5.1.7 最短可測的熒光壽命    5.1.8 熒光各向異性    5.1.9 時間分辨光譜  5.2 多光譜熒光壽命實驗  5.3 激發(fā)波長多路復(fù)用  5.4 瞬態(tài)熒光壽命現(xiàn)象    5.4.1 葉綠素瞬態(tài)熒光    5.4.2 連續(xù)流混合技術(shù)    5.4.3 停流技術(shù)  5.5 擴散光學層析與光子遷移    5.5.1 擴散光學層析原理    5.5.2 乳房掃描層析成像    5.5.3 腦成像    5.5.4 肌肉與骨骼的研究    5.5.5 外源性吸收體    5.5.6 熒光    5.5.7 小動物成像    5.5.8 基于TCSPC的DOT的技術(shù)要點  5.6 生物組織的自體熒光    5.6.1 用多光譜TCSPC探測自體熒光    5.6.2 雙光子自體熒光    5.6.3 眼科成像  5.7 TCSPC激光掃描顯微技術(shù)    5.7.1 激光掃描顯微鏡      5.7.2 用于激光掃描顯微的壽命成像技術(shù)    5.7.3 多維TCSPC的實現(xiàn)  ……第6章 用于光子計數(shù)的探測器第7章 TCSPC實驗的實際操作第8章 結(jié)語參考文獻英漢詞匯對照彩圖

章節(jié)摘錄

插圖：第2章 光子計數(shù)技術(shù)概論2.1 穩(wěn)態(tài)光子計數(shù)最簡單的光子計數(shù)器由探測器、鑒別器和計數(shù)器組成，如圖2.1所示。探測器檢測到單光子脈沖后將信號傳遞給鑒別器。為了使鑒別器接收的脈沖信號的幅值足夠高，可以考慮在鑒別器的前面加一個前置放大器，但這并不是必需的。單光子脈沖信號的幅值會或多或少地出現(xiàn)隨機變化。背景噪聲包括來自探測器本身的低幅值脈沖、環(huán)境噪聲以及放大器帶來的電子噪聲等。因此鑒別器的閾值可調(diào)，以便設(shè)定適當?shù)闹?，從背景噪聲中鑒別出單光子信號。鑒別器的閾值要合理設(shè)置，它必須高于噪聲水平，同時也要低于探測器輸出的光子脈沖的振幅峰值。當單光子信號脈沖超過鑒別器設(shè)定的閾值時，鑒別器會輸出一個具有確定寬度和邏輯電平的脈沖信號，并由緊隨其后的計數(shù)器對鑒別器輸出的脈沖個數(shù)進行計數(shù)，在給定的時間間隔內(nèi)的計數(shù)即作為采集到的光子數(shù)由計數(shù)器輸出。圖2.1所示為光子計數(shù)裝置的簡單框圖，雖然這個光子計數(shù)裝置還不能進行時間分辨，但是它具有光子計數(shù)的大部分優(yōu)點：背景抑制、探測器增益噪聲的抑制、在較寬范圍內(nèi)靈敏度不受探測器增益變化的影響等。這種類型的光子計數(shù)器往往設(shè)計成緊湊的模塊形式，包括探測器、電源、鑒別器、計數(shù)器以及可與計算機通信的RS232接口。

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《高級時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)》是由科學出版社出版的。

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