Toward enhanced time-correlated single-photon counting systems: from theoretical studies to field applications

In the last decades, a growing interest has emerged in the use of light sensing for both research and industry purposes. The possible applications span, indeed, a wide range of activities: for instance, biological and medical imaging, laser ranging and imaging in harsh environments, quantum cryptography, and communications are all fields where light sensing is acting as an enabling technology. In this context, an important role is not only played by the possibility of detecting macroscopic light signals, but even more by the capability of distinguishing the smallest light particle, i.e. the single photon. More precisely, a sophisticated and widespread methodology for low-light sensing consists of time-correlated single-photon counting (TCSPC), an acquisition technique where the time of arrival of single photons is recorded with respect to a reference stimulation. In this framework, this Ph.D. thesis attempts to find possible answers to the following research question: "Can current TCSPC systems be improved as to meet the requirements of future light-sensing applications?". In particular, along the thesis work, the question is addressed from various perspectives, reflecting the different figures of merit that are, from time to time, important for different types of scientific applications.

Negli ultimi decenni è emerso un crescente interesse per l’utilizzo di tecniche basate sulla rivelazione di segnali luminosi sia in ambito di ricerca che in ambito industriale. Le possibili applicazioni abbracciano, infatti, una vasta gamma di attività: ad esempio, l'imaging biologico e medico, la misurazione di distanze tramite LiDAR e l'imaging in ambienti estremi, la crittografia quantistica e le comunicazioni ottiche sono tutti campi in cui la rivelazione di segnali luminosi si pone come una tecnologia abilitante. In questo contesto, un ruolo importante non è giocato solo dalla possibilità di rivelare segnali luminosi macroscopici, ma ancor più dalla capacità di distinguere la più piccola particella luminosa, ovvero il singolo fotone. Più precisamente, una metodologia sofisticata e diffusa per la rivelazione di piccoli segnali luminosi consiste nella time-correlated single-photon counting (TCSPC), una tecnica di acquisizione in cui viene registrato il tempo di arrivo dei singoli fotoni rispetto ad uno stimolo laser di riferimento. In questo contesto, questo lavoro di dottorato si pone l’obiettivo di trovare possibili risposte alla seguente domanda di ricerca: " È possibile migliorare gli attuali sistemi elettronici per TCSPC in modo da soddisfare i requisiti delle future applicazioni che sfruttano la rivelazione di segnali luminosi?". In particolare, nel corso del lavoro di tesi, l’argomento viene affrontato da diverse prospettive, che riflettono le diverse figure di merito che risultano, di volta in volta, rilevanti per le diverse tipologie di applicazioni scientifiche analizzate.