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Quest替代EMCCD在超冷原子中的光子定量研究中的應(yīng)用

jf_64961214 ? 來源:jf_64961214 ? 作者:jf_64961214 ? 2023-03-29 08:06 ? 次閱讀

用于超冷原子/離子的光子定量技術(shù)

用于超冷原子/離子的光子定量技術(shù)包括兩種主要方法:Absorption Imaging和Fluorescence Imaging。

Absorption Imaging是一種將超冷原子/離子與激光相互作用來測量其空間分布的方法。該技術(shù)使用一個相對弱的探測激光束通過原子云進行傳輸,并測量出原子云的吸收率。然后,通過與未被原子云遮擋的探測激光束進行比較,可以確定原子云的空間分布。

Fluorescence Imaging則是一種將超冷原子/離子與激光相互作用來測量其空間分布的方法。該技術(shù)利用激光將原子或離子激發(fā)到高能態(tài),然后它們會通過輻射發(fā)射出光子,這些光子可以被探測器檢測到。通過分析這些發(fā)射出的光子,可以確定原子或離子的空間分布。

這些技術(shù)可以用于超冷原子和離子的研究和應(yīng)用,包括凝聚態(tài)物理、量子計算和量子模擬等領(lǐng)域。

超冷原子中的光子定量:Quest代替EMCCD的使用方法。

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超冷原子研究領(lǐng)域,尤其是針對極弱光的單原子成像中,一般使用的是EMCCD相機,而相對強一些的信號才會想到使用高分辨率、高速、高動態(tài)范圍的sCMOS相機。

隨著光子定量CMOS芯片quantitative CMOS (qCMOS) 的橫空出世,獨家搭載該芯片的濱松Quest相機改寫了這一傳統(tǒng),開創(chuàng)了光子定量成像的新紀(jì)元。Quest相機憑借極低的噪聲,實現(xiàn)了光子定量(Photon Number Resolving)。光子定量相較于EMCCD的光子計數(shù)(Photon Counting),在識別單光子的同時,還做到了識別多光子的光子數(shù)目,即對光子進行定量。

超冷原子應(yīng)用中,開啟狀態(tài)(On state)的原子/離子在激光激發(fā)下會發(fā)射熒光,而關(guān)閉狀態(tài)(Off state)的原子則不會,這時,就需要qCMOS這樣噪聲極低的芯片來精確地分辨出這兩種狀態(tài)。成像時,使用相機的ROI功能(region of interest)選取熒光區(qū)域。

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如下圖所示,只有當(dāng)相機噪聲足夠低的時候,才能使兩種狀態(tài)的原子/離子區(qū)分開。 因為原子本身的激發(fā)熒光非常弱,所以相機噪聲稍高,就會使On state和Off state原子/離子所在的像素, 在讀出光電子的 過程中因為噪聲的引入而無法區(qū)分,即沒有確定的閾值可以將二者明確分離。

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ROI中熒光強度的灰度直方圖

qCMOS與EMCCD處理像素尺寸的差異(關(guān)鍵操作)。

對比濱松的EMCCD C9100-24B來看,EMCCD的像元尺寸是13μm x 13μm,而Quest相機的像元尺寸是4.6μm x 4.6μm.

所 以 如果使用舊EMCCD的光學(xué)系統(tǒng),為了使畫面等效,僅用binning來補償像素大小差異,則會使Quest因像素尺寸小而無法在該系統(tǒng)中體現(xiàn)出光子計數(shù) 的優(yōu)勢。

因為EMCCD及CCD類芯片的讀出模式是所有像素通過同一套讀出電路進行讀出;而qCMOS及CMOS類芯片,為了實現(xiàn)CCD技術(shù)所無法觸及的超低噪聲,每一個像素都有單出的一個讀出電路(FDA),而每一列像素都配有自己的低通濾波器(LPF)電路。

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在同一個光學(xué)系統(tǒng)中,通過Binning(像素合并)使Quest僅從尺寸上來等效EMCCD,則Quest的14 x 14個像素尺寸相當(dāng)于EMCCD的5 x 5個像素尺寸,然而在做binning時Quest的噪聲(以標(biāo)準(zhǔn)模式為例)被倍增了0.43 x 14=6.02,使光子定量功能失效。

為了使二者等效,建議通過變更光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)來適配Quest的像素尺寸,這時就會得到真實的Quest低噪聲所帶來的光子計數(shù)性能。

EMCCD與qCMOS實測對比效果。

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建議:Quest相機替代EMCCD而充分利用其光子定量優(yōu)勢時,建議優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù),以適配Quest相機的像素尺寸。

相關(guān)工程師

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本文技術(shù)文檔摘抄于濱松官網(wǎng) http://share.hamamatsu.com.cn/specialDetail/2017.html#10006-weixin-1-52626-6b3bffd01fdde4900130bc5a2751b6d1

如涉及版權(quán)糾紛請聯(lián)系小編。

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審核編輯黃宇

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