基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统及控制方法

1.本发明涉及光致发光探测技术领域，尤其是基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统及控制方法。

背景技术：

2.光致发光探测是一种利用高灵敏度、高时间分辨率的探测器件对光致发光信号进行探测的方式，因样品受激发而产生的低强度光信号随激发波场的频率变化而变化，且可以对样品上多点的荧光信号进行探测以及产生对应位置的荧光强度排布，故其携带的信息可以起到表征探测局部磁场，样品缺陷寻址等作用，现已广泛应用于量子探测、量子通信等领域。因荧光较弱故难以通过功率计等传统计量仪器对其进行测量，单光子计数器是用于低强度光信号探测的且具有高时间分辨能力的一种精密仪器，该仪器通过将光信号转化成电信号并通过电压阈值进行取舍，避免了由电子学仪器带来的仪器噪声，故可对极微弱信号进行探测。
3.由于在对需要进行同步时序控制的低强度荧光信号探测的过程中不可避免地要通过逻辑门触发实现，故需要对触发持续时间进行较为精确的控制，以避免不同脉冲序列之间的时间差，进而避免携带信息的丢失。但目前市场上主流的单光子计数器存在不具有逻辑门触发模块、对触发的要求过于苛刻(例如除脉冲信号外还需要特定数值大小的暗电流进行控制)以及因受制于序列发生仪器精度无法实现较长触发时间的探测等问题。这些问题将导致荧光探测精度的下降，进一步导致通过荧光表征的参量指标下滑或携带信息的损失等问题。

技术实现要素：

4.为了克服现有技术中存在的上述问题，本发明提出基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统及控制方法。
5.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统，包括低强度光信号产生模块、数据采集模块、序列发生模块、图像生成模块、labview控制模块，所述数据采集模块、序列发生模块、图像生成模块均与labview控制模块通讯连接，所述低强度光信号产生模块与数据采集模块相连接，所述序列发生模块作用于低强度光信号产生模块及数据采集模块。
6.上述的基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统，所述labview控制模块控制序列发生模块产生脉冲序列，所述序列发生模块产生的脉冲序列作用于低强度光信号产生模块、数据采集模块，所述数据采集模块将采集的数据发送给labview控制模块，所述labview控制模块将数据采集模块采集的数据发送给图像生成模块，所述图像生成模块进行图像绘制。
7.上述的基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统，所述低强度光信号产
生模块包括激光器、二向镜、滤波片、物镜，所述数据采集模块包括单光子计数器及数据采集卡，所述序列发生模块包括序列发生器。
8.上述的基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统的控制方法，包括如下步骤：
9.步骤1，labview控制模块控制序列发生模块产生脉宽为t的脉冲序列作用于低强度光信号产生模块，低强度光信号产生模块发出持续时间等于脉宽t的激发光；
10.步骤2，序列发生模块在脉宽为t的脉冲序列上升沿处同步发出第二个脉宽为t1的脉冲序列作用于数据采集模块，数据采集模块读出瞬时光子数为x1；
11.步骤3，序列发生模块在脉宽为t的脉冲序列下降沿处同步发出第二个脉宽为t1的脉冲序列作用于数据采集模块，数据采集模块读出瞬时光子数为x2；
12.步骤4，将步骤2、3所得的瞬时光子数x1、x2发送给labview控制模块，labview控制模块控制图像生成模块对x1、x2进行做差，得出单次脉宽为t的脉冲光子计数；
13.步骤5，重复步骤1-4，得到n次光子计数信号；
14.步骤6，根据步骤5所得的n次光子技术信号通过图像生成模块绘制时间-光子计数曲线。
15.上述的基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤1中低强度光信号产生模块发出激发光的过程为：序列产生模块产生的脉宽为t的脉冲序列作用于低强度光信号产生模块，使得低强度光信号产生模块发出持续时间等于脉宽t的激发光，激发光通过二向镜及物镜聚焦对样品进行激发，样品激发后产生的荧光光子数再次通过物镜进行准直、收集，物镜收集到的荧光通过二向镜后，依次通过长通、带通、短通滤波片进行滤波。
16.本发明的有益效果是：(1)为不具备采样逻辑门触发及触发条件苛刻的单光子计数器提供了时序控的方式：目前市面上很多单光子计数器不具备时序控制功能，或除需要脉冲信号外还需要特定数值大小的暗电流进行控制，本发明令单光子计数器持续计数，不对其进行任何时序操控，转而对数据采集卡的计数逻辑门进行操控，通过多次探测作差计数的方式避免了对计数器采样逻辑门的要求；
17.(2)克服了对于序列发生装置精度的限制：受制于部分序列发生装置无法输出较长脉宽的脉冲串的限制，光子计数器无法实现较长时间的脉冲计数。极大地限制了时序测量的持续性和可适用性。通过作差的方式可以实现较长持续时间内的光子计数探测，克服了序列发生模块的掣肘。
附图说明
18.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
19.图1为本发明各模块之间对应关系示意图；
20.图2为本发明控制方法流程图；
21.图3为本发明序列发生模块的单次脉冲信号示意图；
22.图4为本发明测试结果界面图。
具体实施方式
23.为使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细说明。
24.本实施例提供了一种对不具备逻辑门触发、触发条件苛刻或无法实现长脉冲序列触发计数的单光子计数器进行高精度、高灵敏度的时序信号采集方案，如图1所示，基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统包括低强度光信号产生模块、数据采集模块、序列发生模块、图像生成模块、labview控制模块，数据采集模块、序列发生模块、图像生成模块均与labview控制模块通讯连接，低强度光信号产生模块与数据采集模块相连接，序列发生模块作用于低强度光信号产生模块及数据采集模块。
25.labview控制模块控制序列发生模块产生脉冲序列，序列发生模块产生的脉冲序列作用于低强度光信号产生模块、数据采集模块，数据采集模块将采集的数据发送给labview控制模块，labview控制模块将数据采集模块采集的数据发送给图像生成模块，图像生成模块进行图像绘制。
26.在本实施例中，低强度光信号产生模块包括激光器、二向镜、滤波片、物镜，数据采集模块包括单光子计数器及数据采集卡，序列发生模块包括序列发生器。
27.如图2所示，基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统的控制方法包括如下步骤：
28.s1:低强度荧光激发
29.s1.1较为简单的实现方式是通过共聚焦系统实现，通过labview控制模块控制序列发生模块产生脉宽为t，高低电平为
±
5v的脉冲序列，以控制激发光持续时间，本实施例中选择脉宽t为50us；
30.s1.2出射的532mn激发光通过二向镜反射及100x 0.9na物镜聚焦对样品进行激发，激发后产生的荧光光子数再次通过该物镜进行准直、收集，物镜收集到的荧光通过二向镜后，为确保波长精确度和功率准确度，将荧光依次通过长通、带通、短通滤波片进行滤波以最大程度上减少激发光对于信号的干扰，二向镜及滤波片的选择视荧光信号波长而定。
31.s2：激发光上升沿同步采集
32.s2.1考虑到部分物镜的后孔径尺寸导致荧光光斑较大的问题，或部分单光子计数器需要通过光纤进行传输，故通过滤波片的荧光需要再次通过物镜进行聚焦，本实施例中采用excelitas technologies的spcm-aqrh-16-fc故需要将荧光耦合进单模光纤，该步骤通过10x 0.3na物镜实现，单光子计数器接收光信号并将其转化成电压信号，由数据采集卡进行采集；
33.s2.2采集任务为第一次光子计数采集时，采集脉宽为高电平脉宽，开始边沿为下降沿，labview控制模块控制序列发生及同步控制模块产生脉宽为50us的脉冲序列作用于激发光逻辑门，并且在该脉冲上升沿处同步发出第一个脉宽为t1的脉冲作用于数据采集模块，t1与t脉冲上升沿相同而脉宽小于t，同步采集脉冲序列如图3所示；
34.s2.3 t1脉冲上升沿作用将触发数据采集卡计数模块对该时刻的瞬时光子计数进行第一次显示，读数为x1，由图4可得。
35.s3：激发光下降沿同步采集
36.s3.1采集任务为第二次光子计数采集时，采集脉宽为高电平脉宽，开始边沿为下降沿，在作用于低强度光信号产生及收集模块的50us脉冲的下降沿同步发出第二个脉宽为t1的脉冲作用于数据采集及存储模块，如图3所示；
37.s3.2 t1脉冲上升沿作用将触发数据采集卡计数模块对该时刻的瞬时光子计数进行第二次显示，读数仍为x1，由图4可得。
38.s4：光子计数数值处理及读出
39.s4.1对第一次作用于采集模块后所显示的光子计数进行同步读出，控制读出的脉冲序列单脉宽为t1，显示读数为x1；
40.s4.2激发脉冲信号下降沿对采集模块所显示的的光子计数进行第二次同步读出，脉宽仍为t1，光子计数器显示示数为x2；
41.s4.3通过程序对两次读出的数据作差从而得出该时间间隔内的光子计数x2-x1，由图4中数据分析可得，最大光子计数取值为71911cps，最小取值为66810cps，平均取值为69126cps。
42.这里需要注意的是：第一、第二次的同步采集示数随计数时间的增加而不断累加，其数值远大于单次计数，但并不影响作差后的单次计数结果。在未达到激发饱和前，产生的荧光光子数多少由样本内部缺陷数量及激发光功率大小决定，不同样本，同种样本不同缺陷数量及不同激发光功率会导致荧光光子数出现较大差别。
43.这里需要注意的是：两次对于数据采集卡计数逻辑门作用的脉宽t1没有非常明确的要求，只需显示出高电平作用时的瞬时读数即可。两次作用于计数逻辑门后的读出示数通过labview控制模块的显示控件进行显示，故脉宽带来的数据的波动不会对最后结果产生影响，因为显示结果为瞬时值。但对作用于激发光逻辑门的脉冲信号的脉宽及激发光功率需要有较好的把控以避免较高的功率噪声或自旋极化不完全，较高的功率噪声会对信号稳定度产生影响，自旋极化不完全会影响荧光光子数的产生。
44.上述步骤s1-s4进行的是对于单次时间间隔内光子计数的读出，为更好的掌握激发荧光特性，需要对荧光信号进行多次读出并得到荧光功率随时间的变化关系。
45.s5：光子计数数值的累计多次读出
46.s5.1通过labview控制模块控制序列发生器发出50us脉冲高电平序列，以激发多次光脉冲。与此同时，控制序列发生器在激发光脉冲上升沿和下降沿发出t1脉冲序列，以多次触发数据采集卡计数端，多次重复上述步骤s1-s4对光子计数数值进行多次读出，并通过labview控制模块记录每次读出的数值。
47.s5.3需要注意的是，作用于激发光及数据采集卡逻辑门的脉冲信号的频率及脉宽由序列发生器的频率、脉宽及占空比决定，本方案中选择激发光脉冲频率为10khz，在占空比为50％的情况下即脉宽为50us，相应的数据采集卡触发脉冲频率为20khz。
48.s6：通过图像生产模块绘制荧光光子数随时间变化图像：
49.将步骤s5中所得每次光子计数的取值通过labview显示控件的形式进行显示，连接一个波形图用于显示光子计数随时间的变化关系。如图4所示。
50.至此，完成了基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统。
51.以上实施例仅为本发明的示例性实施例，不用于限制本发明，本发明的保护范围由权利要求书限定。本领域技术人员可以在本发明的实质和保护范围内，对本发明做出各
种修改或等同替换，这种修改或等同替换也应视为落在本发明的保护范围内。

技术特征：

1.基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统，其特征在于：包括低强度光信号产生模块、数据采集模块、序列发生模块、图像生成模块、labview控制模块，所述数据采集模块、序列发生模块、图像生成模块均与labview控制模块通讯连接，所述低强度光信号产生模块与数据采集模块相连接，所述序列发生模块作用于低强度光信号产生模块及数据采集模块。2.根据权利要求1所述的基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统，其特征在于，所述labview控制模块控制序列发生模块产生脉冲序列，所述序列发生模块产生的脉冲序列作用于低强度光信号产生模块、数据采集模块，所述数据采集模块将采集的数据发送给labview控制模块，所述labview控制模块将数据采集模块采集的数据发送给图像生成模块，所述图像生成模块进行图像绘制。3.根据权利要求1所述的基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统，其特征在于，所述低强度光信号产生模块包括激光器、二向镜、滤波片、物镜，所述数据采集模块包括单光子计数器及数据采集卡，所述序列发生模块包括序列发生器。4.对于权利要求1-3任意一项所述的基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，labview控制模块控制序列发生模块产生脉宽为t的脉冲序列作用于低强度光信号产生模块，低强度光信号产生模块发出持续时间等于脉宽t的激发光；步骤2，序列发生模块在脉宽为t的脉冲序列上升沿处同步发出第二个脉宽为t1的脉冲序列作用于数据采集模块，数据采集模块读出瞬时光子数为x1；步骤3，序列发生模块在脉宽为t的脉冲序列下降沿处同步发出第二个脉宽为t1的脉冲序列作用于数据采集模块，数据采集模块读出瞬时光子数为x2；步骤4，将步骤2、3所得的瞬时光子数x1、x2发送给labview控制模块，labview控制模块控制图像生成模块对x1、x2进行做差，得出单次脉宽为t的脉冲光子计数；步骤5，重复步骤1-4，得到n次光子计数信号；步骤6，根据步骤5所得的n次光子技术信号通过图像生成模块绘制时间-光子计数曲线。5.根据权利要求4所述的基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统的控制方法，其特征在于，所述步骤1中低强度光信号产生模块发出激发光的过程为：序列产生模块产生的脉宽为t的脉冲序列作用于低强度光信号产生模块，使得低强度光信号产生模块发出持续时间等于脉宽t的激发光，激发光通过二向镜及物镜聚焦对样品进行激发，样品激发后产生的荧光光子数再次通过物镜进行准直、收集，物镜收集到的荧光通过二向镜后，依次通过长通、带通、短通滤波片进行滤波。

技术总结

本发明公开了基于labview的低强度光信号的同步探测控制系统及控制方法，控制系统包括低强度光信号产生模块、数据采集模块、序列发生模块、图像生成模块、Labview控制模块，数据采集模块、序列发生模块、图像生成模块均与Labview控制模块通讯连接，低强度光信号产生模块与数据采集模块相连接，序列发生模块作用于低强度光信号产生模块及数据采集模块，提供了一种可对特定计数采样时间的弱光信号进行探测，并克服了探测器件不具备逻辑门触发、触发条件苛刻或无法实现长脉冲序列触发计数的问题，可有效应对探测器及脉冲发生仪器本身条件的限制并实现高精度，高灵敏度的弱光信号同步探测。步探测。步探测。