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超冷原子中的光子定量:Quest代替EMCCD的使用方法

jf_64961214 ? 來源:jf_64961214 ? 作者:jf_64961214 ? 2023-06-08 10:35 ? 次閱讀

用于超冷原子/離子的光子定量技術

在傳統觀念里,極弱光條件下使用的相機一般是EMCCD相機,而相對強一些的信號才會想到使用高分辨率、高速、高動態范圍的sCMOS相機。所以,在超冷原子研究領域,尤其是針對極弱光的單原子成像中,傳統上使用的是EMCCD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,開創了光子定量成像的新紀元。Quest相機憑借極低的噪聲,實現了光子定量(Photon Number Resolving)。光子定量相較于EMCCD的光子計數(Photon Counting),在識別單光子的同時,還做到了識別多光子的光子數目,即對光子進行定量。

超冷原子應用中,開啟狀態(On state)的原子/離子在激光激發下會發射熒光,而關閉狀態(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。成像時,使用相機的ROI功能(region of interest)選取熒光區域。

wKgZomR_uj6ADo-lAAAyT-AfCkw369.jpg

如下圖所示,只有當相機噪聲足夠低的時候,才能使兩種狀態的原子/離子區分開。因為原子本身的激發熒光非常弱,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分,即沒有確定的閾值可以將二者明確分離。

wKgaomR_uj6AImBzAACTbf4LAC4836.png

??關鍵操作——處理像素尺寸的差異

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的光學系統,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中體現出光子計數的優勢。

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CCD技術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。

wKgZomR_uj6AdA7MAABi9ptrQfY645.png

所以,在同一個光學系統中,通過Binning(像素合并)使Quest僅從尺寸上來等效EMCCD,則Quest的14 x 14個像素尺寸相當于EMCCD的5 x 5個像素尺寸,然而在做binning時Quest的噪聲(以標準模式為例)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,建議通過變更光學系統的放大倍數來適配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性能。

實測對比效果

1.使用EMCCD的光學系統,僅更換相機

wKgaomR_uj-ARpG0AABxpBarY-o049.png

可以看出由于過度的像素合并使噪聲倍增,光子定量失效,Quest在EMCCD相機的光路中表現不如EMCCD。

2.使用優化后的光路放大倍數——正確的使用方法

可以看出,光子定量的優勢,使Quest在區分On state 和Off state原子/離子中體現出了非常明顯的優勢。

wKgZomR_uj-ANiDBAACi5DMtQpg254.png

太長不看,直接上結論

由于Quest的小像元,如果用在原EMCCD光路中,會被錯誤地等效放大倍數而無法展現其真實性能。所以在應用中使用Quest相機替代EMCCD而充分利用其光子定量優勢時,建議優化光學系統的放大倍數,以適配Quest相機的像素尺寸。

wKgaomR_ukCAdgdWAABtEcPWlSI894.png

審核編輯:湯梓紅
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