单光子探测是一种探测超低噪声的技术，增强的灵敏度使其能够探测到光的最小能量量子——光子。单光子探测器可以对单个光子进行计数，实现对极微弱目标信号的探测，因此也活跃在许多可获得的信号强度仅为几个光子能量级的新兴应用领域中。

莹光时间测量技术（Fluorescence Timing Measurement）被应用在很多科研和工业领域，例如：分子特性，纳米技术和成像显微技术等等。莹光信号是一种非常微弱的光信号，因此需要非常灵敏的光学探测器进行探测，单光子计数器就是不二之选。

1.何为时间相关单光子探测技术（TCSPC）

TCSPC（Time-Correlated SinglePhoton Counting） 是目前主要应用的荧光寿命测定技术。1975 年由PTI(Photon TechnologyInternational) 公司首先商品化，此外Aurea Technology, EdinburghInstruments、IBH、HORIBA 等公司也在生产基于TCSPC 的时间分辨荧光光谱仪。

TCSPC 的工作原理如图1 所示，光源发出的脉冲光引起起始光电倍增管产生电信号，该信号通过恒分信号甄别器1 启动时辐转换器工作，时幅转换器产生一个随时间线性增长的电压信号。另外，光源发出的脉冲光通过激发单色器到达样品池，样品产生的荧光信号再经过发射单色器到达终止光电倍增管，由此产生的电信号经由恒分信号甄别器2 到达时幅转换器并使其停止工作。这时时幅转换器根据累积电压输出一个数字信号并在多道分析仪(Multichannel Analyzer) 的相应时间通道计入一个信号，表明检测到寿命为该时间的一个光子。几十万次重复以后，不同的时间通道累积下来的光子数目不同。以光子数对时间作图可得到如图2 所示直方图,此图经过平滑处理得到荧光衰减曲线。

2. 何为荧光寿命

当某种物质被一束激光激发后，该物质的分子吸收能量后从基态跃迁到某一激发态上，再以辐射跃迁的形式发出荧光回到基态。当去掉激发光后，分子的荧光强度降到激发时的荧光最大强度I0的1/e所需要的时间，称为荧光寿命，常用t表示。如荧光强度的衰减符合指数衰减的规律:  

其中I0是激发时最大荧光强度，It是时间t时的荧光强度，k是衰减常数。假定在时间t时测得的It为I0的1/e，则t是我们定义的荧光寿命。

也就是说荧光强度衰减到初始强度的1/e 时所需要的时间就是该荧光物种在测定条件下的荧光寿命。实际上用荧光强度的对数对时间作图，直线斜率即为荧光寿命倒数的负值。荧光寿命也可以理解为荧光物种在激发态的统计平均停留时间。事实上当荧光物质被激发后有些激发态分子立即返回基态，有的甚至可以延迟到5倍于荧光寿命时才返回基态，这样就形成了实验测定的荧光强度衰减曲线。

3. 实验装置图

主要装置：时间相关单光子探测器（SPD）, 信号发生器，窄线宽激光器，以及计算机。