用于超冷原子/離子的光子定量技術(shù)

在傳統(tǒng)觀念里，極弱光條件下使用的相機(jī)一般是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)。所以，在超冷原子研究領(lǐng)域，尤其是針對(duì)極弱光的單原子成像中，傳統(tǒng)上使用的是EMCCD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)改寫了這一傳統(tǒng)，開創(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。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，在讀出光電子的過程中因?yàn)樵肼暤囊攵鵁o法區(qū)分，即沒有確定的閾值可以將二者明確分離。

??關(guān)鍵操作——處理像素尺寸的差異

對(duì)比濱松的EMCCD C9100-24B來看，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)，為了使畫面等效，僅用binning來補(bǔ)償像素大小差異，則會(huì)使Quest因像素尺寸小而無法在該系統(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。

所以，在同一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)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(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，建議通過變更光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)來適配Quest的像素尺寸，這時(shí)就會(huì)得到真實(shí)的Quest低噪聲所帶來的光子計(jì)數(shù)性能。

實(shí)測(cè)對(duì)比效果

1.使用EMCCD的光學(xué)系統(tǒng)，僅更換相機(jī)

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(jī)的光路中表現(xiàn)不如EMCCD。

2.使用優(yōu)化后的光路放大倍數(shù)——正確的使用方法

可以看出，光子定量的優(yōu)勢(shì)，使Quest在區(qū)分On state 和Off state原子/離子中體現(xiàn)出了非常明顯的優(yōu)勢(shì)。

太長(zhǎng)不看，直接上結(jié)論

由于Quest的小像元，如果用在原EMCCD光路中，會(huì)被錯(cuò)誤地等效放大倍數(shù)而無法展現(xiàn)其真實(shí)性能。所以在應(yīng)用中使用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。