單光子探測(cè)是一種探測(cè)超低噪聲的技術(shù)，增強(qiáng)的靈敏度使其能夠探測(cè)到光的最小能量量子——光子。單光子探測(cè)器可以對(duì)單個(gè)光子進(jìn)行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)極微弱目標(biāo)信號(hào)的探測(cè)，因此也活躍在許多可獲得的信號(hào)強(qiáng)度僅為幾個(gè)光子能量級(jí)的新興應(yīng)用領(lǐng)域中。

瑩光時(shí)間測(cè)量技術(shù)（Fluorescence Timing Measurement）被應(yīng)用在很多科研和工業(yè)領(lǐng)域，例如：分子特性，納米技術(shù)和成像顯微技術(shù)等等。瑩光信號(hào)是一種非常微弱的光信號(hào)，因此需要非常靈敏的光學(xué)探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)，單光子計(jì)數(shù)器就是。

1.何為時(shí)間相關(guān)單光子探測(cè)技術(shù)（TCSPC）

TCSPC（Time-Correlated SinglePhoton Counting） 是目前主要應(yīng)用的熒光壽命測(cè)定技術(shù)。1975 年由PTI(Photon TechnologyInternational) 公司首先商品化，此外Aurea Technology, EdinburghInstruments、IBH、HORIBA 等公司也在生產(chǎn)基于TCSPC 的時(shí)間分辨熒光光譜儀。

TCSPC 的工作原理如圖1 所示，光源發(fā)出的脈沖光引起起始光電倍增管產(chǎn)生電信號(hào)，該信號(hào)通過恒分信號(hào)甄別器1 啟動(dòng)時(shí)輻轉(zhuǎn)換器工作，時(shí)幅轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個(gè)隨時(shí)間線性增長的電壓信號(hào)。另外，光源發(fā)出的脈沖光通過激發(fā)單色器到達(dá)樣品池，樣品產(chǎn)生的熒光信號(hào)再經(jīng)過發(fā)射單色器到達(dá)終止光電倍增管，由此產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)由恒分信號(hào)甄別器2 到達(dá)時(shí)幅轉(zhuǎn)換器并使其停止工作。這時(shí)時(shí)幅轉(zhuǎn)換器根據(jù)累積電壓輸出一個(gè)數(shù)字信號(hào)并在多道分析儀(Multichannel Analyzer) 的相應(yīng)時(shí)間通道計(jì)入一個(gè)信號(hào)，表明檢測(cè)到壽命為該時(shí)間的一個(gè)光子。幾十萬次重復(fù)以后，不同的時(shí)間通道累積下來的光子數(shù)目不同。以光子數(shù)對(duì)時(shí)間作圖可得到如圖2 所示直方圖,此圖經(jīng)過平滑處理得到熒光衰減曲線。

2. 何為熒光壽命

當(dāng)某種物質(zhì)被一束激光激發(fā)后，該物質(zhì)的分子吸收能量后從基態(tài)躍遷到某一激發(fā)態(tài)上，再以輻射躍遷的形式發(fā)出熒光回到基態(tài)。當(dāng)去掉激發(fā)光后，分子的熒光強(qiáng)度降到激發(fā)時(shí)的熒光強(qiáng)度I0的1/e所需要的時(shí)間，稱為熒光壽命，常用t表示。如熒光強(qiáng)度的衰減符合指數(shù)衰減的規(guī)律:  

其中I0是激發(fā)時(shí)熒光強(qiáng)度，It是時(shí)間t時(shí)的熒光強(qiáng)度，k是衰減常數(shù)。假定在時(shí)間t時(shí)測(cè)得的It為I0的1/e，則t是我們定義的熒光壽命。

也就是說熒光強(qiáng)度衰減到初始強(qiáng)度的1/e 時(shí)所需要的時(shí)間就是該熒光物種在測(cè)定條件下的熒光壽命。實(shí)際上用熒光強(qiáng)度的對(duì)數(shù)對(duì)時(shí)間作圖，直線斜率即為熒光壽命倒數(shù)的負(fù)值。熒光壽命也可以理解為熒光物種在激發(fā)態(tài)的統(tǒng)計(jì)平均停留時(shí)間。事實(shí)上當(dāng)熒光物質(zhì)被激發(fā)后有些激發(fā)態(tài)分子立即返回基態(tài)，有的甚至可以延遲到5倍于熒光壽命時(shí)才返回基態(tài)，這樣就形成了實(shí)驗(yàn)測(cè)定的熒光強(qiáng)度衰減曲線。

3. 實(shí)驗(yàn)裝置圖

主要裝置：時(shí)間相關(guān)單光子探測(cè)器（SPD）, 信號(hào)發(fā)生器，窄線寬激光器，以及計(jì)算機(jī)。