Wolfgang Becker，Taravat Saeb-Gilani，Alexander Jelzow
摘要：滨松H15620新型近红外PMT模块结合B&H公司SPC-150NX TCSPC模块提供了<280ps仪器响应函数半峰宽。该探测器的供电电压、制冷电流和增益控制电压都可以从DCC-100探测器控制器获得。结合HFAC-26-1前置放大器，DCC-100也可以提供过载关闭。我们演示了该探测器用于1300nm波长的DOT实验中的性能。

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1000nm波段以上的TCSPC实验

TCSPC技术经过60多年的发展，对波长在1000nm以上的光信号的探测仍然是一个问题。InGaAs SPAD的工作范围为900nm-1700nm，通常具有较高的量子效率和相当快的IRF，如瑞士IDQuantique公司的ID230和IDQube探测器，不过由于感光区域的直径通常仅有20μm的量级，因此，这种探测器非常适合于探测来自于衍射极限点的光学探测系统，如共聚焦显微镜或微型光谱仪，但它们在探测来自大面积的光时并不有效。超导纳米线单光子探测器（SNSPD）的波长范围甚至更宽，使用单纳米线SNSPD或者蜿蜒结构的SNSPD，结合B&H公司的TCSPC模块可提供4.4ps和17.8ps（FWHM）的仪器响应函数宽度。然而，由于其有效面积为0.2μmx2μm和4×4μm，这种探测器非常小，甚至难以在衍射极限的光学系统中使用。因此，在生物组织的漫反射光学实验系统中使用是不可能的。具有近红外敏感阴极的PMT确实存在，并提供了较大的感光面积。然而，即使在强制冷的条件下，暗计数率也是很高的，以至于它们在TCSPC设备的饱和计数率中占了相当大的一部分。这通常限制了可记录光波形的动态范围。最近，滨松研发制造了一个紧凑的制冷型PMT模块，其感光面积为1.6mm^2，解决了上述问题。一方面，它足够小，可以保持暗计数率在一个合理的水平；另一方面，它足够大，可以从漫反射物体上捕捉到足够的光。本应用笔记概述了TCSPC系统于该近红外PMT探测器达成的基本参数。

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滨松H15620探测器的TCSPC性能

滨松H15620探测器包含一个小型PMT和一个高压发生器、一个热电制冷器、一个散热器和一个散热风扇。有效面积为1.6mm^2。探测器需要+5V电源，0 – 0.9V的增益控制电压，1 – 4A热电冷却器的电流源。这些电压和电流由B&H公司的DCC-100探测器控制器模块提供。DCC无法提供的唯一电压是散热风扇的供电电压。再加上B&H公司的HFAC-26-1前置放大器，DCC-100还提供了过载保护的功能。来自前置放大器的单光子脉冲振幅为-100到-400mV，可以直接兼容B&H公司SPC系列的TCSPC/FLIM模块的CFD（恒比鉴别器）输入要求。连接示意图如图1所示：

图1：连接示意图。TCSPC系统连接H15620近红外PMT

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仪器响应函数IRF

我们的测试设备是H15620-45，波长范围覆盖950nm至1400nm。为了测试IRF，我们使用了BDS-SM系列1300nm的皮秒脉冲半导体激光器。激光光束通过一组ND衰减片衰减后入射到探测器的光阴极。光束直径为4mm，即整个感光区域都被照亮。用这种方法记录的IRF如图2所示：

图2：H15620-45近红外PMT探测器的IRF，采用SPC-150NX TCSPC模块和BHL-150、1300nm的皮秒脉冲半导体激光器记录。IRF半宽度的最大值是273ps。

 

记录IRF时，探测器增益控制电压为0.9V。SPC-150计数器模块的CFD参数进行了优化，以获得最佳的IRF形状和最大的检测效率。这些条件下的CFD阈值为-200mV，CFD过零电压为+15mV。我们没有试图以牺牲探测效率为代价来减小IRF。最后得到的IRF半宽度为273ps，该IRF是惊人的快——通常典型值为400ps。我们不确定这个极快的IRF结果是由于SPC-150NX的快速鉴别器模块，或者我们使用的正好是一个非常快的探测器。还请注意，这个IRF测试结果是型号为H15620-45的探测器，对于H15620-25，由于电子在光阴极中的扩散时间不同，可能会有所不同。

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暗计数率

正如预期的那样，暗计数率取决于制冷电流。H15620的最大制冷电流为5A，DCC-100探测器控制器提供的最大电流为2A。我们采用2A的冷却电流，得到的暗计数率大约为4000cps。其中，环境温度为25℃，散热风扇在12V下运行。当冷却电流为3A（采用外部电源）时，暗计数率下降到2500cps。

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扩散光学层析DOT实验

H15620探测器的预期应用是扩散光学层析成像，或近红外光谱（NIRS）和功能近红外光谱（fNIRS）。生物组织的散射和吸收随着波长的增加而减少。因此，近红外光可以穿透相对较厚的组织层。约1300nm的波长范围是特别有趣的，因为水的吸收在这个波长有一个局部的最小值。
图3所示为1300nm的光脉冲透过25mm组织（人的手掌）后的飞行时间分布（DTOF）。入射功率为200μW，脉冲重复频率为50MHz。

图3：皮秒脉冲激光透过手掌传播后的飞行时间分布（DTOF）

DTOF的记录可以与成像相结合。其原理如图4所示。激光光束被一个扫描振镜在待测物体上进行扫描，在我们的实例中，我们采用了一个改进的DCS-120扫描头（德国Becker&Hickl GmbH公司）。

图4：漫散射物体的DTOF扫描成像，光学系统原理图

从物体的远处发出的光子被转移到距离约为50cm的H15620-45探测器上。探测器前面的一个20mm的镜头在感光区域投射出物体的消放大图像。为了获得足够小的图像以适应探测器的感光区域，大的距离是必要的。探测器发出的光子脉冲由TCSPC模块记录，TCSPC模块建立光子在激光脉冲周期内随时间和扫描空间坐标的分布。

人的手掌的扫描图如图5所示。左边的图像显示了透射光的强度。散射和吸收系数的附加信息是由单个像素中的DTOF的阶矩获得的。因此，在正确的图像中，计算了DTOFs的一阶矩，并用假彩色叠加到强度数据上。

图5：手掌的DTOF扫描。左图：强度图像。右图：强度/传播时间的叠加图像。颜色表示平均传播时间，黄色到绿色代表900至1100ps。

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总结

H15620结合B&H公司TCSPC器件完全能够记录光波形。它具有快速时间响应，大感光面积，暗计数率低等特点，特别适合用于探测来自漫散射物体的信号，在1300nm左右的光学窗口，尤其是近红外光谱近红外功能光谱等领域，包括脑成像和光学乳房扫描层析成像。其他应用，如材料科学，特别实在新型太阳能电池材料的研究中也可能是适用的。

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致谢

感谢滨松公司提供的H15620-45探测器。

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参考文献

1. W. Becker, Advanced time-correlated single-photon counting techniques. Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 2005
2. W. Becker, The bh TCSPC handbook. 8th edition, Becker & Hickl GmbH (2019), available on www.becker-hickl.com
3. Becker & Hickl GmbH, 80 ps FWHM Instrument Response with ID230 InGaAs SPAD and SPC 150 TCSPC Module. Application note, available on www.becker-hickl.com 4. Becker & Hickl GmbH, TCSPC at Wavelengths from 900 nm to 1700 nm. Application note, see www.becker-hickl.com
5. W. Becker, J. Breffke, B. Korzh, M. Shaw, Q-Y. Zhao, K. Berggren, 4.4 ps IRF width of TCSPC with an NbN Superconducting Nanowire Single Photon Detector. Application note, available on www.beker-hick.com
6. Becker & Hickl GmbH, World Record in TCSPC Time Resolution: Combination of bh SPC-150NX with SCONTEL NbN Detector yields 17.8 ps FWHM. Application note, see www.becker-hickl.com
7. A. Liebert, H. Wabnitz, D. Grosenick, M. Möller, R.Macdonald, H. Rinneberg, Evaluation of optical properties of highly scattering media by moments of distributions of times of flight of photons, Appl. Opt. 42, 5785-5792 (2003)