时间相关单光子计数（TCSPC）

时间相关单光子计数（TCSPC）是一种精确测量单个光子到达时间的技术：样品受到脉冲光源激发后发射光子，系统将每个探测光子的到达时间与相应的激发脉冲建立参考关系。借助这种方法，TCSPC 能有效应对光子测量中的多项挑战，包括弱信号、快速衰减以及高时间分辨率需求。

TCSPC 固有的高灵敏度和高精度使其成为量子光学和量子通信的重要工具，可用于单光子源表征、Hanbury Brown-Twiss（HBT）测量、二阶相关 ( $g^2$) 分析、反聚束测量和符合实验。在生命科学中，TCSPC 广泛应用于光学断层成像和快速荧光寿命成像显微术（FLIM）；在材料科学中用于荧光光谱；在计量领域则用于强度干涉测量、卫星激光测距（SLR）和激光雷达（LiDAR）。

为实现这种精度，先进的单光子探测器（SPD）以高灵敏度记录入射光子的到达时刻。时间测量电子学（即“时间标记”设备）分别以“Start”和“Stop”信号为激发脉冲与光子探测事件打上时间戳，并记录两者之间的延迟。

这些时间延迟（即“时间标记”）可用于多种测量，包括自相关与互相关、多通道光子计数、荧光寿命成像（FLIM），以及将时间延迟数据实时累积为直方图。TCSPC 的采集质量取决于时间测量电子学的准确度与精密度，而信号采集和分析能力分别受设备硬件与软件性能影响。

在硬件方面，Swabian Instruments - 施瓦本仪器® Time Tagger Series 具备超低时间抖动、多路输入、高速采集和高传输速率，可支持实时数据分析。

• 在硬件方面，Swabian Instruments - 施瓦本仪器® Time Tagger 具备超低时间抖动、多路输入、高速采集和高传输速率，可支持实时数据分析。
• Swabian Instruments - 施瓦本仪器® TCSPC 分析软件采用独特架构，可通过 TimeTaggerLab 图形界面 或 直观的API (支持 Python, MATLAB, LabView, C#, C++等). 同时运行多项实时测量，帮助科研人员提升实验效率、缩短研究周期。

时间测量电子学能够以高准确度和高精密度记录光子到达时间，是 TCSPC 实验的核心。影响 TCSPC 实验可靠性的关键硬件指标包括：

时间抖动

• 时间抖动是指确定光子探测事件准确发生时刻的不确定度。低抖动时间测量电子学能够提高分辨率与精密度，使测量结果更真实地反映事件时序；若电子学的时间分辨能力不足，则会导致时间相关数据质量下降甚至失真。

  注 1: 为应用选择时间测量电子学时，应注意探测器厂商与电子学厂商对抖动指标采用的不同定义。通常，探测器厂商给出 FWHM 抖动（半高全宽），时间测量电子学厂商则给出 RMS 抖动（均方根）。两者关系为：FWHM = 2.35 RMS。

• Swabian Instruments - 施瓦本仪器® Time Tagger 系列可覆盖广泛的时间抖动需求，灵活适配不同实验系统。Time Tagger X 在 HighRes 模式下已实现低至 1.5 ps RMS 抖动的 TCSPC 测量，能够支持高精度应用。

  注 2: 请勿将时间抖动与数字分辨率（分箱宽度）混淆。时间抖动反映设备记录光子探测事件时刻的固有精密度；数字分辨率则指分析采集数据时，直方图横轴可选择的最小分箱宽度，它决定了曲线平滑程度与细节呈现之间的平衡。两者都会影响系统性能，但在 TCSPC 实验中作用不同。

输入通道

• 输入通道用于接收所连接设备的信号，并对其进行精确数字化和时间标记。通道数量越多、输入信号适配能力越强，时间标记设备的通用性就越高。

  • Swabian Instruments - 施瓦本仪器® Time Tagger 的各输入通道完全独立且相互同步，用户可根据实验需要灵活定义 Start、Stop 和 Sync 信号。

  • TTime Tagger 支持 TTL、NIM、正弦波等多种信号类型，可无缝连接单光子探测器、激光器、振荡器、外部时钟、信号发生器，以及像素/行触发、压电位移台和 XYZ 位移台等位置标记设备，兼容广泛的实验配置。

  • 单台 Time Tagger 最多可提供 20 路输入；对于需要扩展通道的应用，可通过 Swabian Instruments – 施瓦本仪器® Synchronizer 同步多台设备，将通道数扩展至 160 路。若使用同时输出频率信号和 1PPS 信号的外部参考源，还可同步 8 台以上设备；实际同步数量上限取决于同步技术的扩展能力。对于使用多个探测器或信号源的科研与工业应用，可扩展输入通道至关重要。

• Time Tagger 系列以灵活的通道配置、广泛的设备兼容性和出色的扩展能力，满足当前及未来的实验需求，为用户提供可长期演进的解决方案。

死时间

• 死时间是指某一输入通道探测到信号后，暂时无法记录下一个信号的时间段。更短的死时间有助于完整采集探测器产生的数据，减少漏计数并保障测量完整性。

  注 3: 对于 Swabian Instruments - 施瓦本仪器® Time Tagger，通道最小死时间与该通道的最高输入频率成反比。目前，Time Tagger 的死时间短于市场上任何单光子计数探测器，因此不会成为高速实验的瓶颈。如果存在后脉冲，或不希望记录探测器暗计数，可按通道连续调节合成死时间，以获得更高的信噪比（SNR）。

数据传输速率

• 数据传输速率是所有输入通道向分析设备（通常为计算机）传输的数据总量。更高的传输速率可在更短时间窗口内采集和传输更多光子计数，提高实验速度和测量的统计显著性；传输速率不足则可能导致溢出和数据丢失。

• 采用低速接口时（例如 Time Tagger 20 的 USB 2.0），接口本身可能成为限制因素。USB 2.0 可提供 9 MTags/s 的传输速率，在速度与易用性之间取得平衡。对于更高数据速率需求，Time Tagger Ultra 和 Time Tagger X 可通过 USB 3.0 实现 90+ MTags/s；此时，CPU 的单线程性能可能成为达到最高速率的瓶颈。有关 整体计算机配置 和 CPU 性能 的更多信息，请参阅知识库。

  • 注 4: Swabian Instruments – 施瓦本仪器®提供多种方案，降低高数据量实验中的溢出风险。ConditionalFilter()、EventDivider() 等数据过滤功能可在提升高速采集效率的同时保持数据完整性。

  • 注 5: 对于需要快速反馈和低延迟输出的应用，可使用 FPGA Link 获得更高吞吐量（SFP+ 为 300 MTags/s，QSFP+ 为 1200 MTags/s），但相应的计算处理要求也更高。采用该方案时，时间标记输出至另一块外部 FPGA 进行处理。目前可用的测量类限于 CountBetweenMarkers、Histogram 和 Coincidences/Combinations。参考指南可在 Swabian Instruments Github 页面获取。

除了抖动、死时间、数据传输速率和通道数等关键硬件指标，充分发挥实验数据价值还需要强大的 TCSPC 软件。

Swabian Instruments -施瓦本仪器® 采用独特的数据分析方式，内置的分析函数库 可灵活并行执行多项实时测量。用户既可通过几行代码运行测量（API 支持 Python、MATLAB、LabVIEW、C#/C++、Mathematica 和 .NET 等常用语言），也可使用 Time Tagger Lab 图形界面更快完成配置。

Swabian Instruments - 施瓦本仪器® Time Tagger 采用软件定义测量架构，其主要优势包括：

• 实时采集与处理。 对入射光子事件（“时间标记”）进行实时采集和处理，是 TCSPC 的关键能力，可帮助用户在测量进行过程中及时确认结果是否符合预期。Swabian Instruments - 施瓦本仪器® Time Tagger 从多个通道采集数据，并实时传输至计算机，由软件引擎接续处理。

• 不同测量并行分析。 软件定义架构对数据流进行统一处理，并允许多个测量任务并发访问。同一次实验即可并行处理原始时间数据，从中提取多维信息。

Swabian Instruments - 施瓦本仪器® Time Tagger 系列的软件方案兼具实时处理与并行分析能力，可支持先进的 TCSPC 应用。

依托高效的数据采集方式和软件定义的数据分析架构，Swabian Instruments – 施瓦本仪器® 致力于帮助您提升 TCSPC 实验效率、缩短研究周期。如有任何问题， 欢迎联系我们。