Quest替代EMCCD在超冷原子中的光子定量研究中的应用

jf_64961214 2023-03-29 449

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描述

用于超冷原子/离子的光子定量技术

用于超冷原子/离子的光子定量技术包括两种主要方法：Absorption Imaging和Fluorescence Imaging。

Absorption Imaging是一种将超冷原子/离子与激光相互作用来测量其空间分布的方法。该技术使用一个相对弱的探测激光束通过原子云进行传输，并测量出原子云的吸收率。然后，通过与未被原子云遮挡的探测激光束进行比较，可以确定原子云的空间分布。

Fluorescence Imaging则是一种将超冷原子/离子与激光相互作用来测量其空间分布的方法。该技术利用激光将原子或离子激发到高能态，然后它们会通过辐射发射出光子，这些光子可以被探测器检测到。通过分析这些发射出的光子，可以确定原子或离子的空间分布。

这些技术可以用于超冷原子和离子的研究和应用，包括凝聚态物理、量子计算和量子模拟等领域。

超冷原子中的光子定量：Quest代替EMCCD的使用方法。

超冷原子研究领域，尤其是针对极弱光的单原子成像中，一般使用的是EMCCD相机，而相对强一些的信号才会想到使用高分辨率、高速、高动态范围的sCMOS相机。

随着光子定量CMOS芯片quantitative CMOS (qCMOS) 的横空出世，独家搭载该芯片的滨松Quest相机改写了这一传统，开创了光子定量成像的新纪元。Quest相机凭借极低的噪声，实现了光子定量（Photon Number Resolving）。光子定量相较于EMCCD的光子计数（Photon Counting），在识别单光子的同时，还做到了识别多光子的光子数目，即对光子进行定量。

超冷原子应用中，开启状态（On state）的原子/离子在激光激发下会发射荧光，而关闭状态（Off state）的原子则不会，这时，就需要qCMOS这样噪声极低的芯片来精确地分辨出这两种状态。成像时，使用相机的ROI功能（region of interest）选取荧光区域。

如下图所示，只有当相机噪声足够低的时候，才能使两种状态的原子/离子区分开。因为原子本身的激发荧光非常弱，所以相机噪声稍高，就会使On state和Off state原子/离子所在的像素，在读出光电子的过程中因为噪声的引入而无法区分，即没有确定的阈值可以将二者明确分离。

ROI中荧光强度的灰度直方图

qCMOS与EMCCD处理像素尺寸的差异（关键操作）。

对比滨松的EMCCD C9100-24B来看，EMCCD的像元尺寸是13μm x 13μm，而Quest相机的像元尺寸是4.6μm x 4.6μm.

所以如果使用旧EMCCD的光学系统，为了使画面等效，仅用binning来补偿像素大小差异，则会使Quest因像素尺寸小而无法在该系统中体现出光子计数的优势。

因为EMCCD及CCD类芯片的读出模式是所有像素通过同一套读出电路进行读出；而qCMOS及CMOS类芯片，为了实现CCD技术所无法触及的超低噪声，每一个像素都有单出的一个读出电路（FDA），而每一列像素都配有自己的低通滤波器（LPF）电路。

在同一个光学系统中，通过Binning（像素合并）使Quest仅从尺寸上来等效EMCCD，则Quest的14 x 14个像素尺寸相当于EMCCD的5 x 5个像素尺寸，然而在做binning时Quest的噪声（以标准模式为例）被倍增了0.43 x 14=6.02，使光子定量功能失效。

为了使二者等效，建议通过变更光学系统的放大倍数来适配Quest的像素尺寸，这时就会得到真实的Quest低噪声所带来的光子计数性能。

EMCCD与qCMOS实测对比效果。

建议：Quest相机替代EMCCD而充分利用其光子定量优势时，建议优化光学系统的放大倍数，以适配Quest相机的像素尺寸。