时间相关单光子计数及时间标记相关产品
MultiHarp 160
可扩展多通道事件计时器和TCSPC单元
- 多达64个独立输入通道，时间分辨率为5 ps
- 通过16通道的扩展单元进行扩展
- 高达1.2 GHz同步速率的共用同步通道
- 超短死区时间（650 ps），各通道无死时间串扰
- 通过FPGA接口对数据流进行硬件访问
- White Rabbit计时网络接口
- 用于自定义编程的驱动程序和演示代码
-
新：多功能板载事件过滤器
MultiHarp 160是一款即插即用型多通道事件计时器及时间相关单光子计数(TCSPC)系统，并且针对需要多通道、高速且高精度计时通道的应用进行了优化处理。
可扩展到64个输入通道
输入通道的数量可以根据您的需求进行扩展：主机（MultiHarp 160 M）提供16个通道，最多可以扩展三个扩展单元（MultiHarp 160 X）。每个扩展单元给事件计时器增加16个通道，从而提供16个，32个，48个或64个同步输入通道的选择。MultiHarp 160 M还具有一个共用同步通道，作为所有16至64个输入通道的时序参考。该同步通道支持高达1.2 GHz（周期信号）的同步速率。来自所有输入通道的时间标签被组合成一个单独的数据流，通过USB 3.0接口进行访问。不需要其他同步工具。
MultiHarp 160的所有通道（包括共用同步输入通道）都可以用作探测器输入，例如，用于符合相关或符合计数。MultiHarp 160也非常适用于前向启停操作进行多探测器的TCSPC检测。而此时的共用同步输入通道，可以用作激发源的同步通道。
快速准确的事件计时
MultiHarp 160巧妙设计的时间数字转换器（5 ps分辨率，<650 ps死时间），在无需牺牲现阶段各种先进单光子探测器时间分辨率的情况下，可以充分利用时间相关单光子计数的计数率极限。凭借其超短的死时间，即使采用现阶段主流皮秒脉冲激光器工作在最高重复频率下进行脉冲激发，每个激发周期也可以检测到多个光子信号（需要PMA Hybrid系列的探测器）。
每个输入通道还具有易于访问的参数设置，其中包括触发参数以及可编程的定时偏移和保持时间的设置。
多功能板载事件过滤器
MultiHarp160拥有用户可定义的板载事件过滤器，可以有效地减少文件大小和通过数据接口（USB、外部FPGA接口）发送的数据量。
外部FPGA数据接口
对于需要多个输入通道，且每个通道上都具有高计数率的应用来说，计算机的数据读取速度和/或数据处理速度是该应用的主要瓶颈。可以通过减少发送到计算机的数据大小来绕过此瓶颈。例如，这种数据缩减可以在MultiHarp 160的直方图模式下完成，在该模式下发送到计算机的TCSPC直方图是由硬件本身从输入信号的到达时间中计算出的。为了实现最大的灵活性，外部FPGA板可通过专用FPGA接口访问MultiHarp 160的时间标签数据流。这样，数据预处理的方法可以针对特定应用进行定制和调整。
关于外部FPGA接口的详细信息，包括编程示例，可以在这里找到。
White Rabbit计时网络接口
White Rabbit是一种完全基于以太网的确定性计时网络，可提供亚纳秒级的精度并在长距离上实现设备的精确同步。得益于White Rabbit接口，MultiHarp 160随时可以集成到使用该新兴技术的系统中。
| 输入及同步通道 | 所有通道恒定型阈值, 可用软件调节具体数值 |
| 探测通道数量 | 16 (主机) |
| (不包含共用同步通道) | 32 (主机+ 第一扩展单元) |
| 48 (主机+ 第一和第二扩展单元) | |
| 64 (主机+ 第一、第二和第三扩展单元) | |
| 输入信号电压范围 | -1200 mV 到 1200 mV |
| 输入信号最大电压范围 (损伤阈值) | ±2500 mV |
| 触发位置 | 上升或下降，软件可调 |
| 触发脉冲宽度范围 | > 0.4 ns（上升/下降时间最大20ns） |
| 时间-数字转换器 | |
| 最小时间通道宽度 | 5 ps |
| 计时精度* | < 45 ps rms |
| 计时精度 / √2* | < 32 ps rms |
| 死时间 | < 650 ps (可以通过软件以1 ns的步长增加至160 ns) |
| 单个通道延时调节范围 | ±100 ns, 5 ps分辨率 |
| 微分非线性误差 | < 10 % peak, < 1 % rms (全量程范围) |
| 最大同步率(周期性脉冲序列) | 1.2 GHz |
| 柱状图模式 | |
| 计数深度 | 32 bit (4 294 967 295 counts) |
| 满量程时间范围 | 328 ns到 2.74 s (根据所选时间通道宽度:5, 10, 20, …, 41 943 040 ps) |
| 最大时间通道数 | 65 536 |
| 每通道峰值计数率 | 1.5 × 109 counts/sec@ 2048事件 |
| 可持续最高数据通量(所有通道总和) |
MultiHarp 160 M: 332 × 106 counts/sec (166 × 106 counts/sec 每行的8个输入通道) MultiHarp 160 X1, X2, X3: 332 × 106 counts/sec (166 × 106 counts/sec每行的8个输入通道) |
| TTTR模式 | |
| T2 模式时间分辨率 | 5 ps |
| T3 模式时间分辨率 | 5, 10, 20, …, 41 943 040 ps |
| FiFo 缓冲深度(records) | 268 435 456 events (million events) |
| 每通道峰值计数率 | 1.5 × 109 counts/sec@ 2048事件 |
| 可持续最高数据通量(所有通道总和)** | 80 × 106 counts/sec，USB 3.0接口 |
| FPGA 数据接口 | |
| T2/T3 模式数据吞吐量 | 200 × 106 counts/sec |
| T2直接模式数据吞吐量（T2DM） |
200 × 106 counts/sec 每行的8个输入通道 + 78 × 106 counts/sec SYNC输入 |
| Latency T2模式 | 4.5 µs~ 5.0 µs |
| Latency T3模式 | 4.5 µs ~5.5 µs |
| Latency T2 Direct模式 |
SYNC：1.7 µs~1.8 µs 其他：0.8 µs~1.2 µs |
| 触发输出 | |
| 周期 | 0.1 µs 到1.678 s (0.596 Hz到10 MHz)可编程 |
| 脉冲宽度 | 10 ns典型值. |
| 基线电平幅值 | 0 V典型值 |
| 触发电平幅值 (脉冲峰值) | -0.7 V典型值 (50 Ohm) |
| 外部标记信号输入 | |
| 数量 | 4 |
| 输入规格 | LVTTL, < 50 ns 上升/下降时间, > 50 ns 到波峰或波谷 (最大 5V,1 µs), hold-off时间软件可调 |
| 外部同步 | |
| Ref IN |
10 MHz 200~1500 mV p.p. 50 Ohm；AC耦合 |
| Ref OUT |
默认值：10 MHz White Rabbit模式：31.25 MHz 1400 mV p.p. 50 Ohm; AC耦合 |
| PPS IN | 1 s, LVTTL |
| White Rabbit接口 | SFP模块连接器 |
| 操作参数 | |
| 电脑接口类型 | USB 3.0 |
| 电脑配置要求 | 双核CPU, 最小 2 GHz CPU clock, 最小 4 GB内存容量 |
| 操作系统 | Windows 10/11 |
| 能耗 | 最大150 W |
|
操作环境 |
只能室内使用 |
|
高海拔操作 |
最高在海平面以上2000 米 |
| 尺寸 | |
| MultiHarp 160 M (主单元) | 包含支撑脚和把手 285 × 425 × 100 mm |
| MultiHarp 160 X (扩展单元) | 包含支撑脚和把手 285 × 425 × 62 mm |
MultiHarp 160主要应用于各种需要时间标记、并且具有大量同步输入要求，而不会影响时间分辨率和数据吞吐量的应用中，例如：
- 符合相关
- 量子通讯
- 线性光学量子计算
- 量子纠缠
- 扩散光学层析成像
- TD-fNIRS
- LIDAR/Ranging/SLR
- 时间分辨荧光
- 光电子设备的时间响应特性
- 时间分辨磷光(TRPL)
- 荧光寿命成像(FLIM)
- 磷光寿命成像(PLIM)
- 多色寿命成像
- 荧光相关光谱(FCS)
- 荧光寿命相关光谱(FLCS)
- 单分子探测/光谱学
- TRPL成像
软件
包含易于使用的软件，支持客户编程使用的数据库文件
MultiHarp 160自带适用于Windows环境下的运行软件，它能提供包括测量参数的设置，显示数据结果，存储/读取测量参数和测量获得的曲线等功能。一些重要的测量参数，例如计数率，最大计数及其时间点位，脉冲宽度等，会在软件界面中持续更新并显示。同时软件具备详细的帮助系统，协助用户更全面的操控MultiHarp160。我们还提供面向C,C#,LabVIEW，Matlab,以及Python的动态链接库，可用于自主编程研发。
快速、直观、通用的Python 封装器 snAPI
快速、直观、通用的snAPI作为一架桥梁，连接PicoQuant的时间相关单光子设备和Python生态系统间的能力，为用户提供高效的设备通信，配置和数据处理功能。
工作模式和软件特性
MultiHarp 160可用于各种工作模式
积分模式
采用累积的方式采集数据，手动开始，手动停止，或者可以设置为满足条件自动停止。单文件最多采集512条曲线。Time bin数量为65536个，每个time bin最高可容纳40亿计数量。
示波器模式
高频在线显示，对光学对准是非常重要的。无闪烁直方图显示刷新率高，以及超大数字显示，也非常适用于远距离工作。
时间标记时间分辨模式(TTTR)
连续性直接记录计数事件，不进行柱状图数据处理。通过time bin记录每个计数事件的绝对抵达时间并进行数据存储，这样我们就可以在离线分析时，进行各种灵活的数据处理，例如：单分子探测，爆发累积荧光寿命(BIFL)测量，时间分辨荧光相关光谱，反聚束，时间间隔分析。快速的数据传输能力以及先进先出策略使Multiharp在TTTR模式下可以达到极高的计数率，而又不会产生数据丢失。同时，最多支持4种外部同步信号输入，例如来自压电平移台或者扫描振镜的位置信号，可被用于荧光寿命成像(FLIM)的探测。
软件介绍
MultiHarp 160自带软件可对所有MultiHarp支持的测量过程进行参数控制。它能提供包括测量参数的设置，显示数据结果，存储/读取测量参数和测量获得的曲线等功能。一些重要的测量参数，例如计数率，最大计数及其时间点位，脉冲宽度等，会在软件界面中持续更新并显示。同时软件具备详细的帮助系统，协助用户更全面的操控MultiHarp160。我们还提供面向C,C#,LabVIEW，Matlab,以及Python的动态链接库，可用于自主编程研发。后续我们仍将对该软件进行持续的升级和拓展。
当前软件和开发包库文件版本: 3.1.0.0
Download MultiHarp 160 software and DLL, version 3.1.0
TTTR模式
在TTTR模式下，可以将单个计数事件直接记录到硬盘或计算机内存中。每个光子的时间信息将会作为一个事件记录被完整的保存下来，不经过任何计算和筛选。这个模式对于荧光动态过程的深入研究是非常有意义的。设备连续记录每个光子事件，包含有抵达时间信息，通道信息等。非常有利于如，photon burst 识别，FCS，爆发累积荧光寿命(BIFL)测量，FLIM，以及量子光学相关的应用。MultiHarp 160目前有T2和T3两种TTTR模式-这个概念最初是在Harp系列的产品中引入的。它们对输入通道的使用略有不同。通过使用合适的模式，可以涵盖非常广泛的应用。在TTTR模式下，可以将单个计数事件直接记录到硬盘或计算机内存中。每个光子的时间信息将会作为一个事件记录被完整的保存下来，不经过任何计算和筛选。这个模式对于荧光动态过程的深入研究是非常有意义的。设备连续记录每个光子事件，包含有抵达时间信息，通道信息等。非常有利于如，photon burst 识别，FCS，爆发累积荧光寿命(BIFL)测量，FLIM，以及量子光学相关的应用。MultiHarp 160目前有T2和T3两种TTTR模式-这个概念最初是在Harp系列的产品中引入的。它们对输入通道的使用略有不同。众多的应用方向可以通过选择合适的模式来得以实现。
T2模式
在T2模式下，MultiHarp 160没有所谓的同步信号输入，所有输入信号都被同等对待。所有的输入通道都用来连接单光子探测器，并且所有的光子事件都会被分别独立记录，包括其通道信息和绝对探测时间信息。如果数据量溢出，一个特别的溢出标记会被插入并记录，后续存储位置继续记录前一个溢出的数据，所以理论上支持无限溢出的数据流量。死时间只存在于每个通道内，而不存在于通道间。因此，互相关过程可以在0延迟的情况下被准确记录。这个特点可以适用于各种功能强大的新应用中，比如用一台该仪器实现延迟时间从皮秒到几小时不等的FCS探测。自相关也可以在（大于死时间的）所有分辨率下进行计算。
T3模式被专门用于和高重复频率的脉冲激光器联用，最高支持1.2GHz频率。激光器输出的同步信号被连接到Multiharp160上专用的独立共用同步接收端，总体的实验配置和TCSPC柱状图模式相似。除了常规的皮秒级别的启停计时外，还记录了通道数，每个事件的绝对探测时间。时间标签是通过简单地计算同步脉冲来获得的。因此，从T3模式的事件记录，可以精确地确定一个光子事件属于哪个同步周期。又因为精确地知道同步周期，因此这还允许相对于整个实验时间重构光子的到 达时间。如果数据量溢出，一个特别的溢出标记会被插入并记录，后续存储位置继续记录前一个溢出的数据，所以理论上支持无限溢出的数据流量。T3模式被专门用于和高重复频率的脉冲激光器联用，最高支持1.2GHz频率。激光器输出的同步信号被连接到Multiharp160上专用的独立共用同步接收端，总体的实验配置和TCSPC柱状图模式相似。除了常规的皮秒级别的启停计时外，还记录了通道数，每个事件的绝对探测时间。时间标签是通过简单地计算同步脉冲来获得的。因此，从T3模式的事件记录，可以精确地确定一个光子事件属于哪个同步周期。又因为可以精确地获知抵达光子所在的同步周期，所以还可以测算出光子的绝对抵达时间。如果数据量溢出，一个特别的溢出标记会被插入并记录，后续存储位置继续记录前一个溢出的数据，所以理论上支持对无限溢出的数据流的记录。
MultiHarp 160在TTTR模式支持记录多达4种不同的外部标记信号，这些外部标记信号可以通过SubD接口以TTL电信号的方式提供给仪器。这些标记被记录在TTTR数据流中。这使得TTTR测量可以与几乎任何实验精确同步，例如用于成像应用的压电扫描平台的移动或电光调制器的开关。
软件支持
设备自带采集软件包含有多种例程，用户可以针对TTTR数据编写自己的分析和显示程序。同时，喜欢使用标准数据分析算法的用户可以考虑使用功能强大的QuCoa软件，该软件非常适用于符合相关以及高级符合相关分析，或者使用SymPhoTime 64软件，进行各种时间分辨荧光分析。
The following documents are available for download:
- Datasheet MultiHarp 160
- Detailed information on external FPGA interface (zip file)
- Brochure about PicoQuant's photon counting and timing products
- White Paper: TCSPC Multi-Device Synchronization using MultiHarp and White Rabbit
- Technical note: Time-Correlated Single Photon Counting (TCSPC)