專利名稱：一種光子序列到達時間的連續(xù)測量裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明提出一種光子序列到達時間的測量方法，涉及單光子探測技術，時間相關 單光子計數(shù)技術和時間測量技術等領域。
背景技術：
光子序列到達時間的測量不僅在量子光學、量子成像、脈沖星導航、高能物理等基 礎研究領域有重要的應用，在深空探測、激光測距、熒光壽命測量等應用領域有著極其廣泛 的應用。目前報道的多個光子到達時間的測量的技術是時間相關單光子計數(shù)技術 (time-correlated single photon counting, TCSPC)，其原理是，在記錄低強度，周期性的 光脈沖信號時，當探測到光子時，記錄在光脈沖信號周期內光子的到達時間，每探測到一個 光子，就在對應得存儲器單元中加一，存儲器的存儲單元的地址與探測時間對應。多次重復 上述過程，記錄多個光子后，存儲器的各單元的光子數(shù)分布就對應光脈沖的波形，時間測量 模塊一般采用TAC-ADC (時間幅度轉換器和模數(shù)轉換器)模塊或TDC (時間數(shù)字轉換器)模 塊。時間相關單光子計數(shù)技術存在的問題，一是不能連續(xù)測量到達光子序列相對于同 一起始點的時間和無法記錄周期信號內出現(xiàn)多個光子的情況。二是測量范圍有限，雖然 TAC-ADC或TDC有非常高的時間測量精度以達到皮秒量級，但測量范圍有限，最大測量范圍 為幾百個微妙。如ACAM公司TDC芯片的TDC-GPX可以達到10皮秒的時間精度。但測量范 圍為1微秒。三是應用范圍有限，多用在記錄低強度，高重復頻率的脈沖信號。如熒光壽命 測量，熒光光譜測量，熒光顯微等。

發(fā)明內容
為了解決現(xiàn)有的光子序列到達時間的測量裝置不能連續(xù)測量、測量范圍窄、應用 范圍有限的技術問題，本發(fā)明針對所存在的技術問題提出一種光子序列到達時間的連續(xù)測 量裝置及方法，具體解決方案如下一種光子序列到達時間的連續(xù)測量裝置，其特殊之處在于包括單光子探測器、前 置放大器、恒比鑒別器CFD、原子鐘、計數(shù)器、時間數(shù)字轉換器TDC、控制器、存儲單元、時鐘 驅動單元以及計算機，所述單光子探測器輸出單光子脈沖經過前置放大器進入恒比鑒別器CFD輸出數(shù) 字脈沖信號，所述恒比鑒別器CFD輸出端與控制器連接，所述原子鐘輸出的方波脈沖送入計數(shù)器作為計數(shù)器的計數(shù)對象，所述原子鐘輸出 的方波脈沖送入時間數(shù)字轉換器TDC，該方波脈沖的上升沿作為時間數(shù)字轉換器的起始信 號，所述恒比鑒別器輸出數(shù)字脈沖信號送入時間數(shù)字轉換器TDC，該數(shù)字脈沖信號的 上升沿作為時間數(shù)字轉換器的停止信號，
所述控制器的控制端分別與計數(shù)器、數(shù)字轉換器以及存儲單元連接，用于控制計 數(shù)器中的粗測時間和時間數(shù)字轉換器TDC緩存中的細測時間在控制器接收到恒比鑒別器 輸出信號的上升沿時，同步存入存儲單元，所述時鐘驅動單元驅動計數(shù)器、數(shù)字轉換器TDC、控制器以及存儲單元協(xié)同工作，所述存儲單元中存儲的粗測時間和細測時間送入計算機。上述存儲單元包括第一存儲器和第二存儲器，所述控制器還可控制第一存儲器和 第二存儲器間的相互切換。上述時鐘驅動單元包括石英晶振和倍頻電路，所述石英晶振經過倍頻電路處理后 輸出時鐘信號。上述所述第一存儲器和第二存儲器為先進先出存儲器。上述原子鐘為銣原子鐘、銫原子鐘或氫原子鐘；單光子探測器是光電倍增管PMT、 微通道板(MCP)或雪崩光電二極管(APD)。一種光子序列到達時間的連續(xù)測量方法，其特殊之處在于包括以下步驟1確定光子序列的到達時間測量的起始點通過外部觸發(fā)，輸入與原子鐘輸入脈沖上升沿同步的開始測量信號RESTART。開始 測量信號RESTART的上升沿對計數(shù)器和時間數(shù)字轉換器復位清零，開始測量信號RESTART 的上升沿為光子序列中所有光子到達時間的起始時刻；2產生光子序列中各光子到達的定時信號；2. 1由時鐘驅動單元產生時鐘信號驅動計數(shù)器、數(shù)字轉換器(TDC)、控制器以及存 儲器協(xié)同工作；2. 2恒比鑒別器產生光子到達的定時信號2. 2.1]由一系列離散的光子序列組成的入射光入射單光子探測器，當單光子探測 器探測到一個光子時，單光子探測器輸出一個電子脈沖信號；2. 2. 2單光子探測器輸出的電子脈沖信號經過前置放大器放大后進入恒比鑒別 器(CFD)；2. 2. 3恒比鑒別器(CFD)將前置放大器輸出的電子脈沖信號的上升沿作為單光 子達到的定時點，產生數(shù)字觸發(fā)脈沖信號作為單光子達到定時信號；3測量粗測時間T和細測時間t3. 1記錄光子到達的粗測時間3. 1. 1原子鐘輸出方波脈沖，在開始測量后，RESTART信號的上升沿對計數(shù)器清 零，計數(shù)器從零開始對原子鐘輸出的脈沖信號進行計數(shù)；RESTART信號的上升沿為所有光 子到達粗測時間的共同起始時間。3. 1. 2控制器收到恒比鑒別器(CFD)發(fā)送的單光子達到定時信號的上升沿時，驅 動計數(shù)器輸出計數(shù)值并存儲至存儲器中，單光子達到定時信號脈沖的上升沿作為該光子粗 測時間的停止時間，此時計數(shù)器輸出的計數(shù)值即為光子到達的粗測時間；3. 2記錄光子到達的細測時間3. 2. 1原子鐘輸出方波脈沖到達時，方波脈沖的上升沿觸發(fā)數(shù)字轉換器(TDC)的 開始(start)信號，作為細測時間的起始信號。3. 2. 2當恒比鑒別器(CFD)輸出的單光子定時信號到達時，單光子定時信號的上升沿觸發(fā)數(shù)字轉換器(TDC)停止(stop)信號，作為細測時間的停止信號；3. 2. 3收到停止信號后，數(shù)字轉換器把開始信號和停止信號之間的時間間隔轉化 為數(shù)字量并存至數(shù)字轉換器(TDC)內部的緩存中，同時，控制器收到恒比鑒別器(CFD)發(fā)送 的單光子達到定時信號后，驅動數(shù)字轉換器(TDC)輸出數(shù)字量值，存儲至存儲單元中，此時 存儲單元中的數(shù)字量即為光子到達的細測時間；4計算光子序列中各光子的到達時間粗測時間=計數(shù)值X原子鐘輸出脈沖的周期；細測時間=數(shù)字量X數(shù)字轉換器TDC的精度光子達到的時間=粗測時間+細測時間。上述連續(xù)測量方法還包括存儲器的切換步驟，具體為第一存儲器開始存儲光子序列的粗測時間和細測時間，當?shù)谝淮鎯ζ饕褲M時，控 制器將第一存儲器切換到第二存儲器開始記錄，同時并行地將第一存儲器的數(shù)據(jù)通過計算 機接口讀出到計算機內存或硬盤上；當?shù)诙鎯ζ饕褲M時，控制器將第二存儲器切換到第一存儲器開始記錄，同時并 行地將第二存儲器的數(shù)據(jù)通過計算機接口讀出到計算機內存或硬盤上。上述步驟3是循環(huán)進行的。上述時鐘驅動單元為石英晶振經過倍頻處理。上述原子鐘為銣原子鐘、銫原子鐘或氫原子鐘；單光子探測器是光電倍增管PMT、 微通道板(MCP)或雪崩光電二極管(APD)。本發(fā)明所具有的優(yōu)點1、光子到達時間的測量范圍寬本發(fā)明采用粗時間測量和細時間測量相結合的方 法，擴展光子到達時間的測量范圍。通過對原子鐘輸出的高穩(wěn)定脈沖進行計數(shù)，來測量光子 到達的粗時間，具有非常高的穩(wěn)定度，克服長時間采集帶來的漂移。采用TDC來測量光子到 達的定時脈沖與原子鐘最近輸出脈沖的時間間隔作為光子到達的細時間，細時間的測量具 有非常高的精度。原子鐘輸出的頻率一般較低(如銣原子鐘有1M、5M或IOM三種輸出)，如 果計數(shù)器設置為36位，通過對IM的銣原子鐘輸出脈沖進行計數(shù)，測量范圍可達19. 09個小 時。2、光子到達時間測量的精度高TDC時間間隔測量具有非常高的時間精度。目前 商用TDC，如ACAM公司的TDC-GPX可以達到10皮秒的時間精度。用FPGA實現(xiàn)的TDC也可 以實現(xiàn)幾十皮秒的精度。因此細時間的測量精度非常高。由于原子鐘輸出的頻率穩(wěn)定度非 常高，因此粗測時間可以達到非常高的測量精度。因此最后光子到達時間的測量精度也可 以達到皮秒量級。3、光子到達時間測量的穩(wěn)定性高原子鐘主要有銣原子、銫原子鐘和氫原子鐘等， 原子鐘具有非常高的穩(wěn)定度，一般在頻率穩(wěn)定度在10_"左右，可以克服長時間采集的漂移。4、連續(xù)、無限的光子到達時間測量通過控制器對計數(shù)器和TDC內數(shù)據(jù)緩存的讀 取和兩個先進先出存儲器進行切換等操作，實現(xiàn)連續(xù)的，無限的光子序列到達時間的測量。5、高速數(shù)據(jù)處理石英晶振經過倍頻后，產生高頻率的時鐘，驅動計數(shù)器、TDC、控 制器和存儲器協(xié)同工作，實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)流，提高計數(shù)率。6、本發(fā)明通過通信接口將存儲器中的數(shù)據(jù)讀取到計算機，然后進行存儲和處理，得到光子序列中各光子的到達時間。


圖1為本發(fā)明光子序列到達時間的連續(xù)測量裝置的結構示意圖；圖2為本發(fā)明時序圖。
具體實施例方式本發(fā)明的目的是提出一種光子序列到達時間高精度、連續(xù)測量的方法。光子到達 時間測量范圍寬的同時，實現(xiàn)對光子序列中各光子到達時間高精度、連續(xù)不間斷測量，克服 現(xiàn)有時間相關單光子計數(shù)技術中，光子到達時間測量范圍窄，不能實現(xiàn)連續(xù)測量等方面的 不足。通過對光子序列中各光子到達時間的數(shù)據(jù)處理，可以獲得入射光的多種信息，包括光 強隨時間變化的性質，光子分布的性質等。因此本發(fā)明在量子光學，脈沖星導航等基礎研究 中有重要的應用。本發(fā)明除了用于光子序列到達時間的測量外，使用不同的探測器，還可以 實現(xiàn)高能光子、電子、帶電粒子等粒子流到達時間的連續(xù)，高精度測量。因此本發(fā)明可以用 于高能物理，深空探測、光譜測量和生物發(fā)光探測等領域。本發(fā)明提出光子序列到達時間的連續(xù)測量方法，該方法如圖1所示，由單光子探 測器，前置放大器，恒比鑒別器(CFD)，原子鐘，(時間數(shù)字轉換器)TDC，石英晶振、倍頻器， 控制器、計數(shù)器、第一存儲器、第二存儲器、計算機通信接口和計算機構成。單光子探測器 輸出單光子脈沖經過前置放大器進入恒比鑒別器(CFD)輸出數(shù)字脈沖信號，恒比鑒別器 (CFD)輸出端與控制器連接，原子鐘輸出的脈沖信號為計數(shù)器的計數(shù)對象，原子鐘輸出的方 波脈沖的上升沿為時間數(shù)字轉換器(TDC)起始信號，恒比鑒別器輸出數(shù)字脈沖信號的上升 沿為時間數(shù)字轉換器(TDC)的停止信號，控制器接收到恒比鑒別器輸出信號的上升沿時控 制計數(shù)器中粗測時間和時間數(shù)字轉換器(TDC)緩存中細測時間同步存入存儲單元，時鐘驅 動單元驅動計數(shù)器、數(shù)字轉換器(TDC)、控制器以及存儲單元快速協(xié)同工作，存儲單元中的 粗測時間和細測時間通過計算機輸出。單光子探測器輸出單光子脈沖，經過前置放大器后，進入恒比鑒別器(CFD)，CFD 選擇在脈沖幅度的某處產生作為定時點，輸出的光子到達的定時信號脈沖。光子到達時間 的測量采用粗時間測量和細時間測量相結合的方法。通過對原子鐘的輸出的高頻率穩(wěn)定度 的周期性脈沖進行計數(shù)來測量光子到達的粗時間。采用TDC來測量光子到達的定時脈沖和 原子鐘最近輸出脈沖的時間間隔作為光子到達的細時間。控制器把計數(shù)器中的粗測時間和 TDC緩存中的細測時間，同步存入先進先出存儲單元，存儲單元采用兩個存儲器切換的方式 實現(xiàn)，實現(xiàn)連續(xù)、無限記錄光子序列的粗時間和細時間。石英晶振經過倍頻后，產生高頻率 的時鐘，驅動計數(shù)器、TDC、控制器和存儲器等快速協(xié)同工作，實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)流。通過通信 接口將存儲器中的數(shù)據(jù)讀取到計算機，然后進行存儲和處理，得到光子序列中各光子的到 達時間。本發(fā)明還提供一種光子序列到達時間的連續(xù)測量方法具體步驟如下1)開始測量，確定光子序列的到達時間測量的起始點在要開始測量時，通過手動觸發(fā)或外部觸發(fā)，引入與原子鐘輸入脈沖上升沿同步 的開始測量命令的RESTART信號。RESTART信號的上升沿對計數(shù)器和時間數(shù)字轉換器復位清零，RESTART信號的上升沿為光子序列中所有光子到達時間的共同起始時刻。2產生光子到達的定時信號在射光非常微弱時，入射光可以看作一系列離散的光子序列，當探測到的一個光 子時，單光子探測器輸出一個電子脈沖，每個脈沖代表探測到一個光子，由于探測器直接輸 出的電子脈沖幅度非常小，因此采用前置放大器將信號放大，然后進入恒比鑒別器CFD，恒 比鑒別器CFD的作用是選擇在電子脈沖上的某處作為定時點，產生數(shù)字觸發(fā)脈沖。該觸發(fā) 脈沖作為單光子到達定時信號，其上升沿代表光子到達的時間。恒比鑒別器CFD在脈沖幅 度比值恒定時觸發(fā)，避免了探測器直接輸出電子脈沖幅度抖動引起的定時誤差。 單光子探測器可以采用光電倍增管PMT，微通道板MCP，雪崩光電二極管APD等，恒 比鑒別器CFD —般在高能物理中應用較多，商用恒比鑒別器CFD如ORTECT公司的CFD853記錄光子到達的粗測時間。采用原子鐘(如銣原子鐘，銫原子鐘，氫原子鐘)輸出高頻率穩(wěn)定度的周期性方波 脈沖，在開始測量后，RESTART信號的上升沿對計數(shù)器清零，計數(shù)器對原子鐘輸出的脈沖從 零開始進行計數(shù)。當探測到光子時，步驟一中產生的光子到達定時信號觸發(fā)計數(shù)器輸出計 數(shù)值到第一存儲器或第二存儲器。計數(shù)器輸出的計數(shù)值就代表光子到達的粗測時間。計數(shù)器的位數(shù)決定著粗測時間的測量范圍，銣原子鐘有1M，5M或IOM三種頻率輸 出，如果計數(shù)器設置為36位，通過對IM的銣原子鐘輸出脈沖進行計數(shù)，測量范圍可達19. 09 個小時。原子鐘輸出的頻率穩(wěn)定度非常高，如商用銣原子鐘，頻率穩(wěn)定度可以達到10—11。即 300年約相差1秒。因此粗測時間可以達到非常高的測量精度。因此用較少的數(shù)據(jù)量，精確 記錄長時間的測量范圍，提高了計數(shù)率。4記錄光子到達的細測時間。TDC可高精度地測量起始START信號與停止STOP信號間的時間間隔。本發(fā)明采 用時間數(shù)字轉換器TDC來測量光子到達的細時間，具體方法是原子鐘輸出的脈沖作為時間 數(shù)字轉換器TDC的起始START信號，單光子到達定時信號作為STOP信號。探測到光子時， 步驟一中產生的光子到達定時信號觸發(fā)TDC的STOP，此時TDC的START信號為單光子到達 定時信號之前，原子鐘輸出的最近輸出的脈沖，時間數(shù)字轉換器將開始信號和停止信號間 的時間間隔轉化為數(shù)字量并存儲在TDC內部的緩存中，該數(shù)字量代表了光子到達的細測時 間。TDC可以采用商業(yè)用的TDC芯片，如ACAM公司的TDC-GPX，它工作在M模式時間精 度可以達到10皮秒。測量范圍為0 10微秒，TDC也可以采用FPGA實現(xiàn)，精度可達到幾 十皮秒。5連續(xù)、無限記錄光子序列的粗測時間和細測時間。探測到光子時，步驟一中產生的光子到達定時信號觸發(fā)控制器，控制器在每收到 一個光子到達定時信號脈沖的上升沿，就把計數(shù)器中代表粗測時間值的數(shù)字量和TDC緩存 中代表細測時間值得數(shù)字量同步存入現(xiàn)進先出存儲器，存儲器采用第一存儲器和第二存儲 器切換方式實現(xiàn)無限記錄。具體方法是從當探測到光子時，第一存儲器開始存儲光子序列 的粗測時間和細測時間，當?shù)谝淮鎯ζ饕褲M時，控制器切換到第二存儲器開始記錄，同時并 行地將第一存儲器的數(shù)據(jù)通過計算機接口讀出到計算機內存或硬盤上。同理第二存儲器已 滿時，控制器切換到第一存儲器開始記錄，同時并行地將第二存儲器的數(shù)據(jù)通過計算機接口讀出到計算機內存或硬盤上。計算機或硬盤有足夠的空間來存儲數(shù)據(jù)。6加速數(shù)據(jù)流將石英晶振經過倍頻后，作為驅動時鐘，驅動計數(shù)器、TDC、控制器、先進先出存儲 器，提高步驟二到步驟四的處理速度，加速數(shù)據(jù)流，提高計數(shù)率。如50M頻率的石英晶振經 過4倍頻后可達200M的時鐘輸出，由于讀取計數(shù)器的粗時間值和TDC中緩存的細時間值、 并存到先進先出存儲器只需2個時鐘周期。因此本發(fā)明可以達到100M的計數(shù)率。對晶振信號的倍頻一般可以采用FPGA芯片內部的模塊實現(xiàn)，不同的廠家的FPGA 實現(xiàn)的倍頻機制不盡相同，如Xinlinx公司的FPGA芯片用內部的DCM(數(shù)字時鐘管理)模 塊來實現(xiàn)倍頻。Altera公司的FPGA采用PLL(鎖相環(huán))來實現(xiàn)倍頻。7計算光子序列中各光子的到達時間粗測時間=計數(shù)值X原子鐘輸出脈沖的周期細測時間=TDC緩存中的值X TDC的精度光子達到的時間=粗測時間+細測時間計算機軟件實時處理所讀取的數(shù)據(jù)，并利用以上關系，計算出光子序列中各光子 的到達時間。通過對光子序列中各光子到達時間的數(shù)據(jù)處理，可以獲得入射光的多種信息，包 括光強隨時間變化的性質，光子分布的性質等。因此本發(fā)明在量子光學，量子通信等基礎研 究中有重要的應用。本發(fā)明除了用于光子序列到達時間的測量外，使用不同的探測器，還可 以實現(xiàn)高能光子、電子、帶電粒子等粒子流到達時間的連續(xù)，高精度測量。因此本發(fā)明可以 用于高能物理，深空探測、光譜測量和生物發(fā)光探測等領域。
權利要求
1.一種光子序列到達時間的連續(xù)測量裝置，其特征在于包括單光子探測器、前置放 大器、恒比鑒別器(CFD)、原子鐘、計數(shù)器、時間數(shù)字轉換器(TDC)、控制器、存儲單元、時鐘 驅動單元以及計算機，所述單光子探測器輸出單光子脈沖經過前置放大器進入恒比鑒別器(CFD)輸出數(shù)字 脈沖信號，所述恒比鑒別器(CFD)輸出端與控制器連接，所述原子鐘輸出的方波脈沖送入計數(shù)器作為計數(shù)器的計數(shù)對象，所述原子鐘輸出的方 波脈沖送入時間數(shù)字轉換器(TDC)，該方波脈沖的上升沿作為時間數(shù)字轉換器的起始信號， 所述恒比鑒別器輸出數(shù)字脈沖信號送入時間數(shù)字轉換器(TDC)，該數(shù)字脈沖信號的上 升沿作為時間數(shù)字轉換器的停止信號，所述控制器的控制端分別與計數(shù)器、數(shù)字轉換器以及存儲單元連接，用于控制計數(shù)器 中的粗測時間和時間數(shù)字轉換器(TDC)緩存中的細測時間在控制器接收到恒比鑒別器輸 出信號的上升沿時，同步存入存儲單元，所述時鐘驅動單元驅動計數(shù)器、數(shù)字轉換器(TDC)、控制器以及存儲單元協(xié)同工作， 所述存儲單元中存儲的粗測時間和細測時間送入計算機。
2.根據(jù)權利要求1所述的光子序列到達時間的連續(xù)測量裝置，其特征在于所述存儲單元包括第一存儲器和第二存儲器，所述控制器還可控制第一存儲器和第二 存儲器間的相互切換。
3.根據(jù)權利要求1或2所述的光子序列到達時間的連續(xù)測量裝置，其特征在于所述 時鐘驅動單元包括石英晶振和倍頻電路，所述石英晶振經過倍頻電路處理后輸出時鐘信 號。
4.根據(jù)權利要求3所述的光子序列到達時間的連續(xù)測量裝置，其特征在于所述所述 第一存儲器和第二存儲器為先進先出存儲器。
5.根據(jù)權利要求4所述的光子序列到達時間的連續(xù)測量裝置，其特征在于所述原子 鐘為銣原子鐘、銫原子鐘或氫原子鐘；單光子探測器是光電倍增管(PMT)、微通道板(MCP) 或雪崩光電二極管(APD)。
6.一種光子序列到達時間的連續(xù)測量方法，其特征在于包括以下步驟 1確定光子序列的到達時間測量的起始點通過外部觸發(fā)，輸入與原子鐘輸入脈沖上升沿同步的開始測量信號(RESTART)。開 始測量信號(RESTART)的上升沿對計數(shù)器和時間數(shù)字轉換器復位清零，開始測量信號 (RESTART)的上升沿為光子序列中所有光子到達時間的起始時刻； 2產生光子序列中各光子到達的定時信號；2. 1由時鐘驅動單元產生時鐘信號驅動計數(shù)器、數(shù)字轉換器(TDC)、控制器以及存儲器 協(xié)同工作；2. 2恒比鑒別器產生光子到達的定時信號2. 2. 1由一系列離散的光子序列組成的入射光入射單光子探測器，當單光子探測器探 測到一個光子時，單光子探測器輸出一個電子脈沖信號；2. 2. 2單光子探測器輸出的電子脈沖信號經過前置放大器放大后進入恒比鑒別器 (CFD)；2. 2. 3恒比鑒別器(CFD)將前置放大器輸出的電子脈沖信號的上升沿作為單光子達到的定時點，產生數(shù)字觸發(fā)脈沖信號作為單光子達到定時信號； 3測量粗測時間T和細測時間t 3. 1記錄光子到達的粗測時間.3. 1.1原子鐘輸出方波脈沖，在開始測量后，開始測量信號(RESTART)的上升沿對計 數(shù)器清零，計數(shù)器從零開始對原子鐘輸出的脈沖信號進行計數(shù)；RESTART信號的上升沿為 所有光子到達粗測時間的共同起始時間。.3. 1.2控制器收到恒比鑒別器(CFD)發(fā)送的單光子達到定時信號的上升沿時，驅動計 數(shù)器輸出計數(shù)值并存儲至存儲器中，單光子達到定時信號脈沖的上升沿作為該光子粗測時 間的停止時間，此時計數(shù)器輸出的計數(shù)值即為光子到達的粗測時間； 3. 2記錄光子到達的細測時間.3.2. 1原子鐘輸出方波脈沖到達時，方波脈沖的上升沿觸發(fā)數(shù)字轉換器(TDC)的開始 (start)信號，作為細測時間的起始信號。.3. 2. 2當恒比鑒別器(CFD)輸出的單光子定時信號到達時，單光子定時信號的上升沿 觸發(fā)數(shù)字轉換器(TDC)停止(stop)信號，作為細測時間的停止信號；.3. 2. 3收到停止信號后，數(shù)字轉換器把開始信號和停止信號之間的時間間隔轉化為數(shù) 字量并存至數(shù)字轉換器(TDC)內部的緩存中，同時，控制器收到恒比鑒別器(CFD)發(fā)送的單 光子達到定時信號后，驅動數(shù)字轉換器(TDC)輸出數(shù)字量值，存儲至存儲單元中，此時存儲 單元中的數(shù)字量即為光子到達的細測時間； 4計算光子序列中各光子的到達時間 粗測時間=計數(shù)值X原子鐘輸出脈沖的周期； 細測時間=數(shù)字量X數(shù)字轉換器(TDC)的精度 光子達到的時間=粗測時間+細測時間。
7.根據(jù)權利要求6所述的光子序列到達時間的連續(xù)測量方法，其特征在于所述連續(xù) 測量方法還包括存儲器的切換步驟，具體為第一存儲器開始存儲光子序列的粗測時間和細測時間，當?shù)谝淮鎯ζ饕褲M時，控制器 將第一存儲器切換到第二存儲器開始記錄，同時并行地將第一存儲器的數(shù)據(jù)通過計算機接 口讀出到計算機內存或硬盤上；當?shù)诙鎯ζ饕褲M時，控制器將第二存儲器切換到第一存儲器開始記錄，同時并行地 將第二存儲器的數(shù)據(jù)通過計算機接口讀出到計算機內存或硬盤上。
8.根據(jù)權利要求6或7所述的光子序列到達時間的連續(xù)測量方法，其特征在于所述 步驟3是循環(huán)進行的。
9.根據(jù)權利要求8所述的光子序列到達時間的連續(xù)測量裝置，其特征在于所述時鐘 驅動單元為石英晶振經過倍頻處理。
10.根據(jù)權利要求9所述的光子序列到達時間的連續(xù)測量裝置，其特征在于所述原子 鐘為銣原子鐘、銫原子鐘或氫原子鐘；單光子探測器是光電倍增管PMT、微通道板(MCP)或 雪崩光電二極管(APD)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光子序列到達時間的連續(xù)測量裝置及方法，包括單光子探測器、前置放大器、恒比鑒別器、原子鐘、計數(shù)器、時間數(shù)字轉換器、控制器、存儲單元以及計算機，恒比鑒別器輸出端與控制器連接，原子鐘輸出的方波脈沖為計數(shù)器的計數(shù)對象，方波脈沖送入時間數(shù)字轉換器，方波脈沖的上升沿為時間數(shù)字轉換器的起始信號，數(shù)字脈沖信號的上升沿為時間數(shù)字轉換器的停止信號，控制器的控制端分別與計數(shù)器、數(shù)字轉換器以及存儲單元連接，用于控制粗測時間和細測時間同步存入存儲單元。本發(fā)明解決了現(xiàn)有的光子序列到達時間的測量裝置不能連續(xù)測量、測量范圍窄、應用范圍有限的技術問題，本發(fā)明測量范圍寬、光子到達時間測量的精度高。
文檔編號G04F5/14GK102141772SQ20101060275
公開日2011年8月3日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權日2010年12月23日
發(fā)明者劉永安, 盛立志, 趙寶升, 鄢秋榮 申請人:中國科學院西安光學精密機械研究所