[论文解读] Fluorescence-detected Fourier transform electronic spectroscopy by phase-tagged photon counting

Amr Tamimi, Tiemo Landes+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2020

Spectroscopy and Quantum Chemical Studies参考文献 24被引用 27

一句话总结

本文提出相位标记单光子计数（PTPC），一种用于低信号荧光探测傅里叶变换光谱的新方法，该方法为单个光子事件分配干涉仪相位。在极低通量条件下，PTPC 的信噪比相比传统锁相检测方法提升约 2 倍或更多，测量不确定度主要由统计采样噪声主导而非仪器不稳定性，从而实现了对弱荧光分子体系（包括单分子）的高精度光谱测量。

ABSTRACT

Fluorescence-detected Fourier transform (FT) spectroscopy is a technique in which the relative paths of an optical interferometer are controlled to excite a material sample, and the ensuing fluorescence is detected as a function of the interferometer path delay and relative phase. A common approach to enhance the signal-to-noise ratio in these experiments is to apply a continuous phase sweep to the relative optical path, and to detect the resulting modulated fluorescence using a phase-sensitive lock-in amplifier. In many important situations, the fluorescence signal is too weak to be measured using a lock-in amplifier, so that photon counting techniques are preferred. Here we introduce an approach to low-signal fluorescence-detected FT spectroscopy, in which individual photon counts are assigned to a modulated interferometer phase ('phase-tagged photon counting,' or PTPC), and the resulting data are processed to construct optical spectra. We studied the fluorescence signals of a molecular sample excited resonantly by a pulsed coherent laser over a range of photon flux and visibility levels. We compare the performance of PTPC to standard lock-in detection methods and establish the range of signal parameters over which meaningful measurements can be carried out. We find that PTPC generally outperforms the lock-in detection method, with the dominant source of measurement uncertainty being associated with the statistics of the finite number of samples of the photon detection rate.

研究动机与目标

• 开发一种在极低通量条件下进行荧光探测傅里叶变换光谱的方法，此时必须采用单光子计数。
• 通过使用单个光子探测并结合相位标记，克服锁相放大器在低信号区域的局限性。
• 确定在何种信号参数（通量与可见度）范围内，可实现最小统计不确定度的有意义光谱测量。
• 通过调节通量与可见度的模型分子体系，直接比较 PTPC 与标准锁相检测的性能。
• 通过实验测量与光子探测率采样统计误差的数值模拟，验证该方法。

提出的方法

• 采用声光调制器的马赫-曾德尔干涉仪对激发光束施加 5 kHz 的连续相位扫描。
• 使用光电倍增管或雪崩光电二极管检测荧光单光子，并通过高精度时间测量电子设备记录其到达时间。
• 现场可编程门阵列（FPGA）基于参考光束的实时相位，将每个检测到的光子分配至特定干涉仪相位。
• 对相位标记的光子数据流进行处理，以重建正交信号分量（X 与 Y 分量）及绝对信号幅度（Z），从而支持傅里叶变换分析。
• 从相位分辨的光子计数中计算信噪比（SNR）与归一化标准误差（SE），以评估性能。
• 数值模拟对相位依赖光子速率的有限采样所导致的统计不确定度进行建模，验证理论预测。

实验结果

研究问题

• RQ1 在极低通量荧光探测傅里叶变换光谱中，相位标记单光子计数（PTPC）能否实现比传统锁相检测更高的信噪比？
• RQ2 在低光子通量条件下，PTPC 的主要测量不确定度来源是什么？
• RQ3 信号通量与可见度如何影响 PTPC 相对于锁相检测的性能？
• RQ4 与仪器噪声相比，统计采样噪声在多大程度上限制了 PTPC 测量的精度？
• RQ5 在 PTPC 实验中，为实现目标信噪比 10，所需检测的最少光子数是多少？

主要发现

• 在广泛的通量与可见度水平下，PTPC 的信噪比相比锁相检测提升约 2 倍或更多。
• 当可见度 𝑣 ≈ 1.0 时，约需在 1 秒积分窗口内检测到 200 个光子，才能使 X 正交分量信号的信噪比 ≈ 10。
• 当可见度 𝑣 ≈ 0.5 时，需约 2,000 个检测光子才能达到相同的信噪比 10，表明其对可见度具有强依赖性。
• X 与 Y 正交分量信号的实际信噪比与基于泊松统计的理论预测高度一致，证实统计采样噪声为最主要的不确定度来源。
• 仪器噪声（如机械振动或探测器散粒噪声）在 PTPC 中可忽略不计，实验与理论之间的一致性极佳。
• 该方法可实现对相位标记光子流中更高次谐波信号分量（如双光子吸收）的后处理分离，支持非线性光谱学应用。