6. Nội dung nghiên cứu
2.1.3. Phép đo thời gian sống phát quang
Thời gian sống phát quang (thời gian sống huỳnh quang) dùng để chỉ thời gian trung bình mà phân tử (nguyên tử, điện tử) vẫn tồn tại trong trạng thái kích thích của nó trước khi phát ra một photon. Thời gian sống phát huỳnh quang được đo bằng phổ kế huỳnh quang phân giải theo thời gian. Có hai phương pháp đo huỳnh quang phân giải thời gian được phát triển đó là phép đo miền tần số và phép đo miền thời gian. Đếm đơn photon tương quan thời gian (time-correlated single photon counting - TCSPC) là một
Nguồn sáng Đèn Xê-nôn Máy đơn sắc Cửa sập Kính lọc Tấm chia chùm Tấm phân cực Ref - Cell Môđun quang học Máy đơn sắc Buồng đựng mẫu Điều khiển máy đơn sắc Máy tính Hiển thị
thời gian. TCSPC hoạt động trên cơ sở phát hiện đơn photon trong từng chu kỳ tín hiệu của ánh sáng kích thích, đo thời gian phát hiện photon và dựng lại dạng xung từ các tín hiệu đo trong các khoảng thời gian độc lập với nhau, tức là xây dựng lại biểu đồ cường độ tín hiệu theo thời gian [1]. Điều kiện cơ bản của phép đo TCSPC là tín hiệu mẫu phải rất nhanh, có độ lặp lại cao và đủ yếu sao cho mỗi chu kỳ của tín hiệu không có nhiều hơn 1 photon được phát hiện. Dựa trên khả năng đáp ứng của các thiết bị trong hệ TCSPC hiện nay thì mức phát hiện tối ưu cần đạt là 1 photon trên 100 xung kích thích. Hình 2.4 mô tả nguyên lý chung của một hệ đo TCSPC, trong mỗi chu kỳ tín hiệu chỉ có 1 xung đơn photon được phân bố một cách ngẫu nhiên, có nhiều chu kỳ tín hiệu thậm chí còn không có xung photon nào. Khi một photon được phát hiện thì thời gian tương ứng khi phát hiện đơn photon trong chu kỳ tín hiệu sẽ được ghi nhận. Sự kiện này sẽ được ghi trong bộ nhớ có địa chỉ tương ứng với thời gian phát hiện photon, các photon trong các chu kỳ tín hiệu khác nhau nhưng nếu có cùng thời gian phát hiện thì được xếp vào cùng một kênh thời gian theo cơ chế cộng dồn.
Hình 2.4. Nguyên lý tổng quát của kỹ thuật đếm đơn photon tương quan thời gian [2 ].
Hình 2.5. Cường độ huỳnh quang phân giải theo thời gian sử dụng TCSPC [2 ].
Sau rất nhiều chu kỳ tín hiệu xung huỳnh quang sẽ được tổng hợp xây dựng lại trong bộ nhớ và hiển thị ra màn hình. Trong trường hợp đếm tốc độ cao thì các kênh thời gian cũng phải được điều chỉnh ngắn hơn để thỏa mãn điều kiện mỗi chu kỳ tín hiệu chỉ phát hiện được không quá 1 một photon. Với nguyên lý như vậy mà kỹ thuật TCSPC có khả năng ghi nhận những tín hiệu ánh sáng rất nhanh và rất yếu.
Để đáp ứng được nguyên lý hoạt động nói trên, các hệ TCSPC được trang bị những công cụ hết sức đặc thù như bộ chọn ngưỡng phân phần không đổi CFD (Constant Fraction Discriminator) và bộ biến đổi thời gian biên độ TAC (Time to Amplitude
Converter), bộ phân tích đa kênh MCA (Multichannel Analyzer) … Hình 2.5 trình bày phép đo suy giảm huỳnh quang sử dụng TCSPC. Các mẫu chất màu được đo huỳnh quang phân giải theo thời gian sử dụng hệ TCSPC có ở Trung tâm Điện tử lượng tử, Viện Vật lý, Viện hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam. Hệ TCSPC ở Viện Vật lý sử dụng nguồn kích laser diode phát xung pico giây tại bước sóng 405 nm, tần số lặp lại có thể thay đổi được từ 4 - 50 MHz, độ rộng xung dưới 100 ps. Detector thu xung photon được sử dụng là PMT R7400U của Hamamatsu, thời gian đáp ứng là 700 ps và card FPGA đọc tín hiệu ra máy tính.