本次回顾和问答活动是对我们网络研讨会的补充， 使用可重构的、基于 FPGA 的仪器测量单光子事件， 我们与 Laser Focus World 于 15 年 2025 月 XNUMX 日联合举办了此次活动。如果您无法现场观看，可以立即注册点播 点击此处。 除了网络研讨会摘要之外，我们还针对以下选定的观众问题提供深入的解答。
网络研讨会回顾
在本次演讲中，我们概述了 光子计数，包括物理设置和潜在应用，包括优势、挑战和关键要求。我们介绍了基于 FPGA 的 Moku 平台及其可重构的测试和测量仪器套件，重点介绍了 Moku 时间间隔与频率分析仪由于其兼具高数据吞吐量、并行处理和零死时间等优点，该仪器可作为高效的光子计数解决方案。在现场演示中，我们部署了时间频率分析仪以及其他仪器。 多仪器并行模式首先，我们生成一个数字数据序列，并通过脉冲位置调制 (PPM) 将其编码到脉冲载波上，然后使用时频分析仪检测并解码波形。在第二个演示中，我们使用电脉冲和 Arduino Uno 模拟了 Hanbury-Brown-Twiss 装置。我们实时观察了直方图的填充情况，并演示了如何使用时频分析仪收集导出带时间戳的数据。
观众提问
为什么测量单光子事件更准确，特别是在长距离激光雷达等应用中？
在激光雷达中，信息编码方式有两种：一种是调制幅度、相位或频率（对于连续光源），另一种是脉冲间隔（对于脉冲光源）。短距离传输时，返回信号的保真度通常很高。然而，长距离传输时，信号会受到大气的强烈干扰，导致返回功率衰减至很低的水平。在这种情况下，如果使用模拟探测器，则很容易被背景噪声淹没，这些背景噪声可能来自热过程或任何放大器。这种方法会导致信噪比低，并且会使相干解调变得困难。相比之下，单光子探测器仅在检测到真正的光子事件时才会发出“咔嗒”声，从而消除了模数转换器引入的输入噪声。检测单光子还可以实现精确的时间戳标记、信号“门控”（仅在预期出现信号时才监听信号）以及多次迭代平均。与相干解调方法相比，这些因素可以提高信噪比。
量子光学中有一个g2参数，用来测量自相关效应（重合率）。您能解释一下如何量化g2参数吗？
二阶相关函数 g2(𝜏) 用于衡量探测到两个间隔时间 𝜏 的光子的概率，该概率已归一化为非相关光子的预期值。当 𝜏=0 时的值尤为重要，因为它可以推断光源的信息。例如：
- 如果 g2(0) > 1，则光源倾向于成组地发射光子。这称为聚束行为，通常表明该光源为热光源。
- 如果 g2(0) < 1，则光源倾向于以规则的间隔发射光子，一次发射多个光子的概率很小。这被称为反聚束行为，是单光子光源的理想特性。
- 如果 g2(0) = 1，则发射的光子之间没有相关性。这通常适用于相干光源，例如激光器。
您可以在我们的 Hanbury-Brown-Twiss 中阅读有关自相关函数的更多信息 配置指南至于如何计算给定 HBT 数据集的 g2(𝜏) 函数，可以通过符合率 C(𝛕) 的直方图以及探测器 A 和 B 记录的独立事件总数来获得。g 的计算公式为：2（𝜏）作为延迟时间 𝜏 的函数，由下式给出：
\(g^2(tau) = frac{C(tau)T}{N_a N_b Delta tau}\)其中 C(𝛕) 是以延迟时间 𝛕 为中心的区间内发生的符合事件的数量，是区间的宽度，单位为时间。 T 是时间测量的总长度，NA 和NB 分别是探测器 A 和 B 捕获到的单个事件的总数。要使用 Moku 时频分析仪执行此操作，您可以使用内置的数据记录器生成带有时间戳的事件 A 和 B 列表。然后，您可以将此数据导出到主机 PC，并在主机上定义时间区间宽度，并计算每个时间区间的符合率。如果事件数量足够多，这应该可以估算出源的自相关率。
对于 Hanbury-Brown-Twiss 测量，可以使用同步脉冲和配对的探测器进行触发吗？这是否需要 Moku:Pro 的三个输入通道？还是 Moku:Go 和 Moku:Lab 也可以用于此？
是的，你可以使用同步脉冲。事实上，你可能根本不需要使用第三个模拟通道，因为 Moku:Pro 和 Moku:Lab 背面有一个 TTL 触发输入，也可用于触发采集。遗憾的是，Moku:Go 不支持 TTL 触发输入，因此您只能使用一个输入通道。有几种方法可以将此触发信号集成到您的时频分析仪测量中。如果您想测量从触发事件到某个光子事件的时间间隔，可以在“事件”选项卡中，将事件 A 到 D 中任意一个的输入源设置为“外部触发”，如图 1 所示。
图 1：时频分析仪中的事件可以来自外部触发输入，也可以来自任何模拟输入通道。如果您只想捕获触发窗口内发生的事件，可以导航至“间隔”选项卡，并将采集模式设置为“门控”。如图 2 所示，此门控的来源可以是任何模拟输入或外部触发。您还可以根据需要调整门控阈值。
图 2：除了连续模式和窗口模式之外，时间与频率分析仪还支持门控模式，在该模式下，只有在应用的门控处于活动状态时才会捕获事件。
哪些因素限制了最大事件发生率？
Moku 时频分析仪规定了两种最大事件速率：一种用于突发日志记录，另一种用于持续日志记录。对于持续日志记录，10 MSa/s 的事件速率主要受限于 Moku:Pro SSD 的写入速度，而非 FPGA 本身的物理限制。312.5 MSa/s 的最大突发速率（针对 Moku:Pro）更值得深入研究。Moku:Pro 前端的 ADC 最大采样率为 1.25 GSa/s。但是，由于 Moku 使用线性插值来精确确定时间戳，因此每个事件至少需要记录两个样本。如果您想了解更多关于此过程的信息，请查看我们的 应用笔记 关于这个话题。此插值序列对事件记录速率设置了硬性上限。由于 DSP 算法的实现方式，事件记录速率的实际上限最终为每四个 ADC 样本记录一个事件——对于 Moku:Pro 来说，上限为 312.5 MSa/s。
亚稳态会是个问题吗？因为在现实世界中，你会触发与你的时钟异步的外部事件。你们在仪器中如何处理这个问题？
亚稳态是指FPGA中常见的问题，即某个寄存器接收到的输入信号与下一个时钟沿的出现时间非常接近。由于输入信号在时钟翻转之前无法“稳定”，这会导致FPGA出现异常行为。这些异常行为被称为“亚稳态”，此时寄存器的值既非零也非一。在光子计数中，如果将异步数字信号直接传递给FPGA，则可能会出现问题，因为这些事件是随机的——很可能某个事件最终会在时钟沿附近发生。这可能导致数据丢失或时间戳不准确。在Moku系统中，来自某些单光子探测器的TTL信号首先经过模拟前端。尽管它们在技术上是“数字”信号，但ADC会将它们视为模拟信号并进行相应的数字化处理。由于ADC与FPGA上的系统时钟同步采样，因此所有时序都受到控制，亚稳态对于Moku时频分析仪来说不是问题。感谢您观看我们的网络研讨会。我们期待再次见到您。如需更多精彩演示，请查看我们的 网络研讨会页面 来点播观看。
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