显微镜解决方案--瑆科仪器（广州）有限公司

产品概述
TCSPC系统

瑆科显微镜相关解决方案

包括但不止于：

TCSPC单光子探测显微镜系统
共聚集重扫描结构照明显微镜系统
荧光寿命成像显微镜系统
Light Sheet Microscope 光学片显微镜定制系统
Multi Photon Microscope 单、双、多光子显微镜定制系统
太赫兹共聚焦显微镜系统
NIR 共聚焦光谱显微镜近红外 I/II 共焦系统
低温共聚焦系统

瑆科显微镜相关解决方案

包括但不止于：

TCSPC单光子探测显微镜系统
共聚集重扫描结构照明显微镜系统
荧光寿命成像显微镜系统
Light Sheet Microscope 光学片显微镜定制系统
Multi Photon Microscope 单、双、多光子显微镜定制系统
太赫兹共聚焦显微镜系统
NIR 共聚焦光谱显微镜近红外 I/II 共焦系统
低温共聚焦系统

显微镜解决方案汇总


TCSPC 时间解析单光子探测显微镜系统 Time Correlated Single Photon Detector 适用于SPD，SPAD，APD，芯片和模组相关的检测系统，可以用来检查探测器的探测效率等技术参数。


Multi Photon Microscope 单、双、多光子显微镜在双光子显微镜中激光发出特定波长的光，该波长被样品中的荧光分子吸收。当这种光的两个光子同时被吸收时，它们提供了足够的能量来激发荧光分子并使其发出更长波长的光这可以被显微镜检测到。因为需要两个光子来激发分子，所以荧光发射的可能性很低，并且只发生在显微镜的焦点处从而允许高分辨率成像和比传统显微镜更大的深度。双光子显微镜在神经科学、生物学和生物医学成像方面有许多应用。例如，它已被用于研究大脑中单个神经元的活动、可视化血管的结构和功能以及跟踪活组织中细胞的行为。		荧光寿命成像显微镜荧光寿命成像显微镜 (FLIM) 是一种显微镜，可以根据所用荧光团的荧光寿命对生物样品进行可视化和分析。 FLIM 测量样品中光子的激发和发射之间的时间，这可以提供有关荧光团的特性及其所在环境的信息。 FLIM 可用于研究范围广泛的生物过程，包括蛋白质-蛋白质相互作用、酶活性和离子浓度变化。它通常与其他成像技术（如共聚焦显微镜）结合使用，以提供有关样品的更多详细信息。


Light Sheet Microscope光学片显微镜 LSM 的工作原理是将照明和检测路径分成两个垂直平面。照明平面是使用激光或 LED 光源和柱面透镜产生的薄光片。然后，这片光通过样品扫描，一次只照亮样品的薄片。样品发出的光然后由垂直于照明放置的相机或光电倍增管检测。它允许对活生物体中的三维(3D)结构进行快速、高分辨率成像，同时将光损伤降至最低。 LSM 在生物学研究中有着广泛的应用，包括研究胚胎发育、神经回路以及细胞和组织对刺激的反应行为。它们还被用于对整个生物体进行成像，例如斑马鱼胚胎和果蝇幼虫，从而深入了解它们的行为。		共聚集重扫描结构照明显微镜 “重扫描” 共聚焦显微镜是一种结构光照明共聚焦显微镜，它使用快速移动的振镜或扫描仪多次扫描样品，产生比标准共聚焦显微镜更高的分辨率和更好的对比度图像。总的来说，重扫描共聚焦显微镜是研究生物组织、细胞和其他样品的非常强大的工具，广泛应用于研究实验室、医疗设施和其他科学环境。


Thz Confocal Microscopy 太赫兹共聚焦显微镜系统太赫兹共聚焦显微镜使用聚焦的太赫兹辐射束来扫描被分析的样品。然后，该光束被反射回来并由检测器收集，检测器根据反射辐射的强度创建样本图像。通过使用共焦设计，该显微镜可以实现高分辨率，并可以选择性地聚焦在样品内的不同深度。它可用于研究聚合物、陶瓷和半导体等材料的微观结构和特性，并检测其结构中的缺陷或异常。在生物学和医学中，它可用于成像和研究对太赫兹辐射透明的生物组织，包括皮肤、牙齿和软骨。		Low Temperature Confocal Microscopy 低温共聚焦显微镜系统与低温恒温器兼容，可执行 -190 至 600 度的低温拉曼测量 8个固定探臂可升级为可调探臂，可兼容反射或透射模式可兼容1200度高温探测可升级为原位拉升系统，用来探测表面张力

软件界面及功能

● SPAD(APD) 测试目的及原理

● 裸芯片 SPAD(APD) 的 TCSPC 测试解决方案

● 适用于封装 SPAD(APD) TO46 或 T08 的 TCSPC 测试解决方案

Product Brochure Link:

SPAD(APD) 测试目的及原理

该测试系统适用于SPAD的盖革工作模式，采用门控猝灭技术、准单光子源和计数原理，可测量SPAD的雪崩电压值Va、暗计数率DCR、单光子探测效率SPDE、脉冲概率P_a和时间抖动TJ，可作为SPAD(APD)量产测试平台和SPAD(APD)性能测试平台。

测试系统的测试目标和基本原理简述如下：

1） SPAD的单光子探测效率（SPDE）：根据给定激光器每个脉冲 𝜇 的平均光子数（一般 𝜇 =0.1），测量SPAD𝑃_𝑑每个门控脉冲产生暗计数的概率，并每个光脉冲𝑃_𝑒产生相关计数的概率，则单光子探测效率SPDE可计算为：

一般情况下，暗计数概率 𝑃_𝑑远小于 1，当 𝜇 = 0.1 时，光脉冲相关计数概率 𝑃_𝑒也远小于 1，则 SPAD 可近似为：

2）SPAD的归一化暗计数率DCR：由于SPAD工作在门控模式，具有一定的门宽 𝜏，为了均匀性，SPD的暗计数率𝑃_𝑑，即每个门脉冲产生暗计数的概率，转换为SPAD盖革模式下的暗计数率，即归一化暗计数率 𝑅_𝑑：

3）SPAD 𝑃_𝑎后的脉冲概率：该参数一般需要指定选通工作频率，表征在SPAD内部缺陷捕获和释放光电子导致有效光子入射而产生后续雪崩脉冲的总概率特定的选通工作频率^[1]。设单位时间内SPD的总计数为𝑅_𝑠 ，单位时间内暗计数为𝑅_𝑑 ，与光子到达时间相关的单位时间计数为𝑅_𝑒 ，若门频率为𝐹_𝑔 ，则入射光子脉冲频率为 𝐹_𝑝，则脉冲后概率 𝑃_𝑎计算如下：

4）SPAD时间抖动：可以在门控模式下测量雪崩信号相对于光脉冲同步信号的输出抖动。该参数代表SPAD单光子雪崩弛豫时间的波动。通常，使用时间相关的单光子计数器来对有效雪崩信号进行计数。时间直方图半峰全宽 𝑡_{𝑗𝑖𝑡𝑡𝑒𝑟,𝐹𝑊𝐻𝑀}，或者使用高带宽示波器来计数有效的雪崩信号相对于光脉冲同步信号的时间偏移𝑡 _{𝑗𝑖𝑡𝑡𝑒𝑟,𝑅𝑀𝑆} 。对于近高斯分布的时间抖动，一般有：

裸芯片SPAD(APD) 的 TCSPC 测试解决方案

自由空间裸芯片SPAD TCSPC测试系统

该系统由皮秒脉冲激光器 QLD-301、自由空间光学装置、用于门控制的数字延迟脉冲发生器、用于70K冷却的低温舞台系统、光功率计、参考SPD和一套TCSPC主时钟组成。

基于光纤的裸芯片SPAD TCSPC测试系统

该系统由皮秒脉冲激光器QLD-301、光纤光学装置、用于门控制的数字延迟脉冲发生器、定制的70K冷却光纤低温舞台系统、光功率计、参考SPD和一套TCSPC主时钟组成。

QLD-301皮秒脉冲激光器包括：

信号发生器模块（时钟源分配）：它可以接收外部参考时钟或使用内部时钟源生成同步的激光脉冲触发时钟和可调相对延迟的APD门控时钟。通常，APD门控制时钟的频率是激光触发时钟的整数倍，系统提供2倍，5倍，10倍，20倍，50倍和100倍的选项；
皮秒脉冲激光（脉冲激光）：它可以以相同频率生成与触发时钟同步的激光脉冲，脉冲宽度小于50ps，消光比大于40dB。此外，由它生成的激光同步时钟用作计数模块的输入信号；
光功率监控和衰减控制模块（ATT）：控制激光脉冲的衰减，将其衰减到单光子的水平，并通过高灵敏度的光功率监测确保脉冲功率的稳定性。

主时钟

4路输入和4路输出，通道数量可定制，最高分辨率达到13ps bin宽度，每通道时间抖动5.7ps。
最大输入电压范围-3到3V（可定制）

高压脉冲发生器

4路脉冲输出和8路延时输出，抖动小于25ps rms，触发频率高达10mhz。
高压触发信号可达10V。这对SPAD测试设备非常重要。
升降时间可达55ps。

参考SPD检测器

波长覆盖范围900 - 1700nm（可根据不同应用改变到可见光范围）
时间分辨率150ps暗计数率在3Khz时为20%，1us到100us可调死区时间

自由空间近红外光学系统配备低温台

在测试样品上的微米级激光斑尺寸，具有用于光学对准的同轴近红外视觉系统
2个可调探针臂用于电子信号测试，低温台温度可达-77K (LN2)

定制的70K冷却光纤低温台系统

定制的光纤插入测试室，光输出角度为85度
顶部和侧视可变焦视觉系统用于光纤对齐
2个可调探针臂用于电子信号测试，低温台温度可达-77K (LN2)

性能

具体性能及指标参数如下表所示

Parameter	Specification	Remark
Laser QLD-301-1550
Laser Repetition Rate	1MHz~1.25GHz	For SPAD test systems, the recommended laser pulse frequency range is 1MHz~100MHz, internal trigger
Minimum Pulse Width	< 50ps, FWHM
Time Jitter	< 20ps,RMS	Measured relative to SYNC OUT
Pulse Extinction Ratio	>40dB
Center Wavelength	1550nm
Internal Trigger Delay Range	0~1000ns	SPAD test system uses internal triggering to generate an AUX OUT synchronous clock for Gated trigger clock for SPAD
Delay Adjustment Accuracy	10ps
Optical Power Monitoring Sensitivity	<-75dBm	The internal PD sensitivity is better than -75dBm , and the external 35dB solid attenuation can support the minimum power detection range of -110dBm , which meets the optical power detection requirements of μ = 0.1 at 1MHz .
Internally Adjustable Attenuation Range	0~40dB
Auxiliary Clock Output Frequency	1MHz~1.25GHz	As the SPAD gate trigger clock frequency, it can be set to an integer multiple of the laser pulse repetition frequency
Gated Generation Module NPG-1H20
Gated External Trigger Frequency	Covers 0.1~100MHz
Gate Width	Covering 0.5~2ns , 10ps/step	Encoder adjustment
Gate Amplitude	Covers 4~6.4V , better than 100mV/step	Encoder adjustment
Pulse Polarity	Positive Pulse
Rise Time	<120ps	20%~80%
Fall Time	<150ps	20%~80%
Digital Delay / Pulse Generator
Channels	4 or 8 output
Jitters	<25ps
Voltage Output	Up to 30V	High voltage gate signal
Raise & Fall Time	100 ps
Single Photon Detector
Wavelength Range	900-1700
Deadtime Range	0.1-100
Dark Count Rate	20% @3Khz
Timing Resolution	150ps
Optical Fibre Coupling	MMF62.5 or Free space
Master Clock
Channel	4input and 4 output
Bin Width	13ps
Time Jitter	8ps
Count Rate	1Ghz

适用于封装的 SPAD(APD) TO46 或 TO8 的 TCSPC 测试解决方案

封装SPAD测试系统由皮秒脉冲激光器QLD-301，闸门控制生成模块NPG-1H20，测试主控模块ATE-301和测试机箱（包括TO46水冷制冷单元）组成。此外，还需要一套TCSPC仪器。用于测试脉冲后及时间抖动。其中，QLD-301是内置信号源的皮秒脉冲激光器，可以生成具有可调延迟的电和光脉冲（目前为独立仪器，后期可以升级为机箱板卡的模块）；

NPG-1H20可以生成具有可调振幅和脉宽的闸门脉冲信号；ATE-301部分包含APD相关模式块（高压产生，制冷和温度控制，双通道鉴别计数器）；测试箱包括TO46制冷和信号提取单元，机箱背板等，其中TO46制冷和信号提取单元包括：水冷散热器，保温结构，TEC制冷单元，尖噪声抑制和信号提取电路，TO-46夹具和信号接口等。系统组成和原理-框图如下图所示：

图1 SPAD测试平台的系统组成和原理图

QLD-301皮秒脉冲激光器包括：

信号生成器模块（时钟源分布）：它可以接收外部参考时钟或使用内部时钟源来生成一个同步的激光脉冲触发时钟和APD门控时钟，可调的相对延迟。通常，APD门控时钟的频率是激光触发时钟的整数倍，系统提供了2倍、5倍、10倍、20倍、50倍和100倍的选项；
皮秒脉冲激光器（Pulsed Laser）：它能够生成与触发时钟同频率的同步激光脉冲，脉宽小于50ps，消光比大于40dB。此外，由它生成的激光同步时钟用作计数模块的输入信号；
光功率监测和衰减控制模块（ATT）：控制激光脉冲的衰减，将其衰减到单光子的水平，并通过高灵敏度的光功率监测确保脉冲功率的稳定性。

NPG-1H20门控生成模块主要包括：

触发输入和监控单元，触发频率覆盖0.1~100MHz，兼容任何电平的触发输入；
门控幅度可调，调整范围覆盖4~6.4V，优于100mV/步，编码器调整；
门宽度可调，调整范围覆盖0.5~2ns，10ps/步，编码器调整。

ATE-301测试主控模块主要包括：

SPAD相关模块：包括高压生成，冷却和温度控制等模块；系统基于门控熄灭方法使SPAD工作在门控模式下，在此模式下，测试SPAD的检测效率，归一化暗计数率和后脉冲概率；
双通道计数器模块（双通道计数器）：用于计数雪崩计数值，并且以后可以升级为一个符合计数模块，通过与激光同步时钟自动找到峰值并计数符合函数以自动测量后脉冲概率。

图2 方案组成示意图

TO-46测试夹具主要包含：

水冷TEC制冷和保温结构：使用工业级三级制冷片，结合水冷散热技术，可以在室温20°C时实现≤-60°C的温度控制，满足SPAD的低温需求；最大限度地减少热辐射和热对流。
SPAD夹具和模拟前端：采用独特的纯铜导热夹具和高速平衡差分技术，支持TO-46封装的SPAD（最大外径6mm，封装结构见附录1），且结构易于更换；对尖峰噪声有高度抑制，可以有效提取SPAD的雪崩信号；
信号接口：包括光猪尾线出口，射频同轴和DB9接口，分别用于传输单光子信号，门控输入信号，雪崩输出信号和系统主机的高压和温度控制接口。

性能

具体性能及指标参数如下表所示

Parameter	Specification	Remark
Laser QLD-301-1550
Laser Repetition Rate	1MHz~1.25GHz	For SPAD test systems, the recommended laser pulse frequency range is 1MHz~100MHz , internal trigger
Minimum Pulse Width	< 50ps, FWHM
Time Jitter	< 20ps,RMS	Measured Relative to SYNC OUT
Pulse Extinction Ratio	>40dB
Center Wavelength	1550nm
Internal Trigger Delay Range	0~1000ns	SPAD test system uses internal triggering to generate an AUX OUT synchronous clock for Gated trigger clock for SPAD
Delay Adjustment Accuracy	10ps
Optical Power Monitoring Sensitivity	<-75dBm	The internal PD sensitivity is better than -75dBm , and the external 35dB solid attenuation can support the minimum power detection range of -110dBm , which meets the optical power detection requirements of μ = 0.1 at 1MHz .
Internally Adjustable Attenuation Range	0~40dB
Auxiliary Clock Output Frequency	1MHz~1.25GHz	As the SPAD gate trigger clock frequency, it can be set to an integer multiple of the laser pulse repetition frequency
Gated Generation Module NPG-1H20
Gated External Trigger Frequency	Covers 0.1~100MHz
Gate Width	Covering 0.5~2ns , 10ps/step	Encoder adjustment
Gate Amplitude	Covers 4~6.4V , better than 100mV/step	Encoder adjustment
Pulse Polarity	positive pulse
Rise Time	<120ps	20%~80%
Fall Time	<150ps	20%~80%
Test the Main Control Module ATE-301-SYS
High Pressure Range	50~90V adjustable
High Voltage Regulation Resolution	0.01V
Limit Cooling Temperature	-60 ℃	In the laboratory room temperature 20 ℃ environment, and maintain good ventilation
Temperature Control Accuracy	± 0.1 ℃
Cooling Time	<8min
TCSPC post-pulse test (currently using TCSPC for post-pulse test, subsequent functions can be upgraded and embedded in ATE-301-SYS)

系统连接方框图

下图为系统连接方框图，其中ATE-301-SYS、NPG-1S20和TO-46测试夹具都位于测试平台机箱内，这可以减小系统尺寸，便于操作。

ATE-301 TO-46 SPAD测试系统连接方框图

适用的APD封装TO-46示例图

附录A. 激光脉冲每脉冲平均光子数的校准方法

在进行 SPAD 的性能测试之前，需要准确地校准激光的每脉冲平均光子数。校准过程有以下几种方法：

间接功率校准方法：根据光脉冲重复频率和每脉冲平均光子数[2]计算所需的输出功率，然后根据 QLD-301 的输出功率（显示值或测量值）计算所需的外部衰减值，手持光功率通过对外部衰减器的衰减值进行校准，使得最终的输出功率达到预定值。这种方法的主要问题是它需要对外部衰减器的值进行额外的校准，操作上比较复杂。
直接功率校准方法：这种方法使用高精度的仪器型光功率计，例如 Keysight 81634B，其名义测量精度可达 -110dBm，但实际测量精度约为 -100dBm。如果需要每脉冲平均光子数为0.1，这种方法只能用于校准重复率在10MHz以上的光脉冲。这种方法的主要问题是其适用范围有限且成本高。
单光子计数直接校准方法：这种方法使用已经校准过检测效率的单光子探测器进行直接单光子计数。因为检测效率已知，可以通过计数率和光脉冲频率[3]直接计算出每脉冲平均光子数。这种方法校准速度快，重复性好，应用范围广，简单高效。

以上三种方案的特性在以下表格中进行了比较：

Calibration Method	Complexity	Cost	Measurement Accuracy
Indirect Power Calibration Method	High	Low	Low
Direct Power Calibration Method	Low	High	Middle
Single Photon Counting Direct Calibration Method	Low	Middle	High

[1] 如果 SPAD 在 Geiger 模式下，这个参数通常需要给出一定的死区时间参数，但是这个系统使用门控制模式，其默认的死区时间是一个脉冲周期的长度，所以死区时间一般在这里的最小值。如有需要，可以通过参数增加死区时间的设置。

[2] 例如，平均光子数 μ=0.1 的 1MHz 的 1550nm 光脉冲的平均功率为 -108.92dBm

[3] 如果单光子检测效率 SPDE=10%，那么平均光子数 μ=0.1 的 1MHz 光脉冲的计数率为 10KHz。

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