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(lái)測(cè)量其空間分布的方法。該技術(shù)使用一個(gè)相對(duì)弱的探測(cè)激光束通過(guò)原子云進(jìn)行傳輸，并測(cè)量出原子云的吸收率。然后，通過(guò)與未被原子云遮擋的探測(cè)激光束進(jìn)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(lái)測(cè)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(huì)通過(guò)輻射發(fā)射出光子，這些光子可以被探測(cè)器檢測(cè)到。通過(guò)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(jì)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。

超冷原子研究領(lǐng)域，尤其是針對(duì)極弱光的單原子成像中，一般使用的是EMCCD相機(jī)，而相對(duì)強(qiáng)一些的信號(hào)才會(huì)想到使用高分辨率、高速、高動(dòng)態(tài)范圍的sCMOS相機(jī)。

隨著光子定量CMOS芯片quantitative CMOS (qCMOS) 的橫空出世，獨(dú)家搭載該芯片的濱松Quest相機(jī)改寫(xiě)了這一傳統(tǒng)，開(kāi)創(chuàng)了光子定量成像的新紀(jì)元。Quest相機(jī)憑借極低的噪聲，實(shí)現(xiàn)了光子定量（Photon Number Resolving）。光子定量相較于EMCCD的光子計(jì)數(shù)（Photon Counting），在識(shí)別單光子的同時(shí)，還做到了識(shí)別多光子的光子數(shù)目，即對(duì)光子進(jìn)行定量。

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

如下圖所示，只有當(dāng)相機(jī)噪聲足夠低的時(shí)候，才能使兩種狀態(tài)的原子/離子區(qū)分開(kāi)。 因?yàn)樵颖旧淼募ぐl(fā)熒光非常弱，所以相機(jī)噪聲稍高，就會(huì)使On state和Off state原子/離子所在的像素， 在讀出光電子的 過(guò)程中因?yàn)樵肼暤囊攵鵁o(wú)法區(qū)分，即沒(méi)有確定的閾值可以將二者明確分離。

ROI中熒光強(qiáng)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(duì)比濱松的EMCCD C9100-24B來(lái)看，EMCCD的像元尺寸是13μm x 13μm，而Quest相機(jī)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(huà)面等效，僅用binning來(lái)補(bǔ)償像素大小差異，則會(huì)使Quest因像素尺寸小而無(wú)法在該系統(tǒng)中體現(xiàn)出光子計(jì)數(shù) 的優(yōu)勢(shì)。

因?yàn)镋MCCD及CCD類芯片的讀出模式是所有像素通過(guò)同一套讀出電路進(jìn)行讀出；而qCMOS及CMOS類芯片，為了實(shí)現(xiàn)CCD技術(shù)所無(wú)法觸及的超低噪聲，每一個(gè)像素都有單出的一個(gè)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。

在同一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中，通過(guò)Binning（像素合并）使Quest僅從尺寸上來(lái)等效EMCCD，則Quest的14 x 14個(gè)像素尺寸相當(dāng)于EMCCD的5 x 5個(gè)像素尺寸，然而在做binning時(shí)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(guò)變更光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)來(lái)適配Quest的像素尺寸，這時(shí)就會(huì)得到真實(shí)的Quest低噪聲所帶來(lái)的光子計(jì)數(shù)性能。

EMCCD與qCMOS實(shí)測(cè)對(duì)比效果。

建議：Quest相機(jī)替代EMCCD而充分利用其光子定量?jī)?yōu)勢(shì)時(shí)，建議優(yōu)化光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，以適配Quest相機(jī)的像素尺寸。

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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

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審核編輯黃宇