Wolfgang Becker, Thomas Meures, Becker & Hickl GmbH
摘要

采用bh公司 SPC-QC-104 TCSPC模块和bh公司 BDS-SM 640nm皮秒二极管激光器设计激光雷达。激光光束被引导到远处的目标，从目标散射回来的光子被Meade LX90 20厘米望远镜收集，由bh公司 PMC-150-20 PMT模块检测，并由TCSPC设备记录。使用250 kHz的激光脉冲重复率和不超过10 μW的平均功率，我们从160米外的树木获得了干净的后向散射信号。通过将脉冲重复频率提高到50 MHz，我们能够检测到叶片中叶绿素的荧光衰减曲线。

基本工作原理
通过向一个遥远的物体发送激光脉冲，检测物体反射或散射的光，并确定脉冲到物体和返回的传播时间，可以测量到它的距离。这项技术被称为光探测和测距，或激光雷达。原理如图1所示。
SPC-QC-104应用于高分辨率激光雷达插图

到达探测器的光的强度随着物体的距离而减小。对于100米及以上的距离和中等激光功率，强度迅速下降到单光子水平。光子时间的直方图在激光脉冲后的时间T = 2 c d处显示了一个峰值，见图1，右。时间相关单光子计数(TCSPC)或相关技术是可以选择的技术[1,2]。
基于TCSPC的激光雷达系统的仪器响应函数(IRF)由激光脉冲形状、探测器的渡越时间扩展函数和TCSPC器件的电子仪器响应函数的卷积给出。即使使用中速TCSPC器件，中速探测器和皮秒二极管激光器，IRF宽度也可以达到低于100 ps (FWHM，最大一半的全宽度)或40 ps (RMS，均方根)。具有高速探测器的超快TCSPC设备可以比它快5倍[1,3]。
激光雷达实验的实际分辨率甚至可以更高。原因是，不只一个光子被用来建立如图1所示的直方图。测量的传播时间的标准偏差随着光子数的平方根而减小(精度增加)。例如，对于RMS为40ps、10000个光子的系统，传输时间的标准偏差为0.4 ps，距离的标准偏差为60µm。有了如此高的分辨率，不仅可以非常准确地确定距离，而且还可以确定光学性质，例如，可以确定表面纹理，物体内的光子迁移时间或荧光寿命。
实验装置
为了演示激光雷达与TCSPC设备，我们使用了bh公司 SPC-QC-104模块[4]。SPC-QC-104的电子IRF为38 ps FWHM，或约18 ps RMS。与更快的SPC-150N或180N模块相比，SPC-QC的优势在于它可以在启停时间内记录多个光子[4]。因此，背景光子的可能检测不会抑制以后对目标光子的检测。作为光源，我们使用了BDS-SM 640nm ps二极管激光器。激光在外部以250千赫的重复频率脉冲。该重复频率下的平均功率小于10 μ W，脉冲能量约为40 pJ。来自目标的光子由Meade LX90(20厘米)望远镜收集，并由附在目镜支架上的 PMC-150-20光电倍增管模块检测。光学装置的照片如图2所示。
SPC-QC-104应用于高分辨率激光雷达插图1

在我们的装置中使用的低激光功率和低脉冲能量有助于避免激光安全问题。然而，它产生了一个环境光采集的问题。因此，实验是在夜间进行的。即使在晚上，光污染也成了一个问题。因此，探测器前面的带通滤光片减少了对环境光的吸收。
结果
距离测量
结果如图3所示。尽管二极管激光器的激光功率较低，但从目标处拾取了干净的信号。左边的凸起来自于激光束扩散散射到附近树木的侧瓣，主峰之后的峰来自于主要目标后面的树木。
SPC-QC-104应用于高分辨率激光雷达插图2
图3:采用图2所示装置获得的激光雷达结果。激光重复频率250 kHz，激光脉冲能量40 pJ。
图4显示了目标峰值周围的数据放大图。峰值出现的时间为1070.21 ns，对应的距离为160.53 m。
SPC-QC-104应用于高分辨率激光雷达插图3

图4:放大主目标峰周围区域。峰值时间为1070.21 ns，对应的目标距离为160.53 m。
荧光寿命测量
记录160米以上距离树木散射光的成功促使我们尝试记录相同距离上叶绿素的荧光衰减函数。对于给定的平均激光功率，荧光强度比散射激光低几个数量级。然而，强度的损失可以通过增加激光脉冲重复频率来补偿。不需要像距离测量那样使用低重复率来避免含混不清。因此，激光可以以其50MHz的标称重复频率运行，有效地将平均功率增加200倍。带通滤光片被替换为680 nm长波通滤光片，TCSPC记录时间窗减小到16 ns。时间通道宽度设置为4ps，时间通道数设置为4096。结果是惊人的:计数率增加到每秒大约30万个光子，荧光衰减曲线几乎立即出现。图5给出了一个例子。
SPC-QC-104应用于高分辨率激光雷达插图4

图5:160 m外树木记录的叶绿素荧光衰减曲线。这三条曲线的记录位置略有不同。激光束同时照射几片叶子，因此在每条曲线上都有几个衰减曲线。
在略有不同的空间位置记录了三条曲线(红、蓝、黑)。
此外，激光束击中几片叶子的距离略有不同。因此，在每条曲线中可以看到几个重叠的衰减曲线。
使用SPCImage NG[6]对衰减曲线进行解卷积的尝试如图6所示。将图5的黑色曲线发送到SPCImage NG，拟合范围限制在中心的衰减曲线上。采用双指数模型和合成IRF进行拟合。上升沿的拟合并不完美，可能是因为不同距离的叶片对信号的贡献较小。然而，得到了合理的衰减时间和振幅。衰减分量显示在图右上方的插入部分中。
SPC-QC-104应用于高分辨率激光雷达插图5

图6:图5黑色曲线中间衰减的反卷积。双指数模型，合成IRF。衰减组分如图右上方所示。绿色曲线是IRF。
两组分的衰减时间分别为t1 = 219 ps和t2 = 975 ps，振幅加权寿命为tm = 580 ps，这是叶绿素的短寿命。寿命短的原因是叶片完全适应黑暗，激发功率密度极低。在这些条件下，光合作用通道完全打开，荧光被光合作用反应淬灭。
总结
我们用bh公司 SPC-QC-104 TCSPC模块和 BDS-SM 640 nm皮秒二极管激光器来构建激光雷达。激光光束被引导到远处的目标，从目标散射回来的光子被Meade LLX19 20厘米望远镜收集，由bh PMC-150-20 PMT模块检测，并由TCSPC设备记录。使用250 kHz的激光脉冲重复率和不超过10 μW的平均功率，我们从160米外的树木获得了干净的后向散射信号。通过将脉冲重复频率提高到50 MHz，我们能够检测到叶片中叶绿素的荧光衰减曲线。结果表明，基于tcspc的激光雷达不仅可以提供远程目标的距离，还可以显示目标本身的信息。
参考文献
1. W. Becker, The bh TCSPC Handbook, 9th ed. Becker & Hickl GmbH (2021)

2. W. Becker, Advanced time-correlated single-photon counting techniques. Springer, Berlin, Heidelberg, New York, 2005

3. Becker & Hickl GmbH, The bh TCSPC Technique. Principles and Applications. Available on www.beckerhickl.com.

4. SPC-QC-104 3-channel TCSPC FLIM Module, user manual. Available on www.becker-hickl.com.

5. BDS-SM Series ps Diode Lasers, extended data sheet. Available on www.becker-hickl.com.

6. SPCImage Data Analysis, in W. Becker, The bh TCSPC Handbook, 9th ed., Becker & Hickl GmbH (2021)

联系方式：
Wolfgang Becker

Becker & Hickl GmbH

Berlin, Germany

Email: becker@becker-hickl.com

Categories: FLIM application, Technology

by admin

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