單光子探測是一種探測超低噪聲的技術(shù)，增強的靈敏度使其能夠探測到光的最小能量量子——光子。單光子探測器可以對單個光子進(jìn)行計數(shù)，實現(xiàn)對極微弱目標(biāo)信號的探測，因此也活躍在許多可獲得的信號強度僅為幾個光子能量級的新興應(yīng)用領(lǐng)域中。

瑩光時間測量技術(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。瑩光信號是一種非常微弱的光信號，因此需要非常靈敏的光學(xué)探測器進(jìn)行探測，單光子計數(shù)器就是。

1.何為時間相關(guān)單光子探測技術(shù)（TCSPC）

TCSPC（Time-Correlated SinglePhoton Counting） 是目前主要應(yīng)用的熒光壽命測定技術(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，該信號通過恒分信號甄別器1 啟動時輻轉(zhuǎn)換器工作，時幅轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生一個隨時間線性增長的電壓信號。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)生的電信號經(jīng)由恒分信號甄別器2 到達(dá)時幅轉(zhuǎn)換器并使其停止工作。這時時幅轉(zhuǎn)換器根據(jù)累積電壓輸出一個數(shù)字信號并在多道分析儀(Multichannel Analyzer) 的相應(yīng)時間通道計入一個信號，表明檢測到壽命為該時間的一個光子。幾十萬次重復(fù)以后，不同的時間通道累積下來的光子數(shù)目不同。以光子數(shù)對時間作圖可得到如圖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，分子的熒光強度降到激發(fā)時的熒光強度I0的1/e所需要的時間，稱為熒光壽命，常用t表示。如熒光強度的衰減符合指數(shù)衰減的規(guī)律:  

其中I0是激發(fā)時熒光強度，It是時間t時的熒光強度，k是衰減常數(shù)。假定在時間t時測得的It為I0的1/e，則t是我們定義的熒光壽命。

也就是說熒光強度衰減到初始強度的1/e 時所需要的時間就是該熒光物種在測定條件下的熒光壽命。實際上用熒光強度的對數(shù)對時間作圖，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)計平均停留時間。事實上當(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倍于熒光壽命時才返回基態(tài)，這樣就形成了實驗測定的熒光強度衰減曲線。

3. 實驗裝置圖

主要裝置：時間相關(guān)單光子探測器（SPD）, 信號發(fā)生器，窄線寬激光器，以及計算機。