一种拉曼光谱测量方法和系统技术方案

本发明专利技术涉及一种拉曼光谱测量方法和系统，所述方法包括以下步骤：使拉曼光子经光栅单色仪入射到一维位置灵敏硅光电倍增探测器1D PS‑SiPM上；接收由1D PS‑SiPM响应于拉曼光子的入射而输出并经放大的两路脉冲强度分布信号；基于接收的两路脉冲强度分布信号提取拉曼单光子响应事件以及拉曼单光子响应事件对应的一维位置分布；基于所述拉曼单光子响应事件对应的一维位置分布以及光子位置与波长的对应关系获得拉曼光谱。本发明专利技术能够实现对拉曼光谱的快速、精准地、高位置分辨率的测量。

【技术实现步骤摘要】
一种拉曼光谱测量方法和系统
本专利技术涉及拉曼光谱探测
，尤其是涉及一种新的拉曼光谱测量方法和系统。
技术介绍
由于拉曼光谱包含特征谱，具有“指纹”特征，可以作为检测物质成分与结构的一种手段，因此拉曼光谱测量在工业、医药、环境等领域具有广泛的应用。通常，采用电荷耦合器件(CCD)或光电倍增管(PMT)作为光谱仪的光电探测器。CCD涉及多通道同步测量过程，具有高测量速度，但受到低增益、低时间分辨率和相对较大的读出噪声的影响，必须将其冷却至低温才能进行低噪声水平的光检测。相比之下，PMT涉及单通道波长扫描测量过程，具有高增益(～106)、高时间分辨率和低读出噪声。PMT在室温下运行甚至单光子检测，但其体积大、易碎、测量速度低。现有的另一种测量拉曼光谱的方法是采用硅光电倍增探测器(SiPM)阵列作为光电探测器，SiPM阵列是将许多个独立的SiPM器件组合成为一个阵列，由于SiPM具有高增益、高光子探测效率、优异的时间分辨率、光子数分辨能力、低工作电压、易于集成、结构紧凑和便利性等优点，SiPM阵列同样具有比较高的增益和响应速度，已被认为是PMT的替代。但是，SiPM阵列中每个SiPM的尺寸决定了整体SiPM阵列的位置分辨率，以SiPM阵列作为光电探测器测量拉曼光谱的缺点是诸如大量的读出通道和由SiPM像素尺寸导致的受限的位置分辨率问题。因此，现有技术中缺少一种既结合了CCD(多通道快速测量)和PMT(高增益，快速光子响应)的优点，又具备高位置分辨率的拉曼光谱测量技术。
技术实现思路
为了解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供一种拉曼光谱测量方法和测量系统。根据本专利技术的一个方面，提供的一种拉曼光谱测量方法包括如下步骤：使拉曼光子经光栅单色仪入射到一维位置灵敏硅光电倍增探测器1DPS-SiPM上；接收由1DPS-SiPM响应于拉曼光子的入射而输出并经放大的两路脉冲强度分布信号；基于接收的两路脉冲强度分布信号提取拉曼单光子响应事件以及拉曼单光子响应事件对应的一维位置分布；基于所述拉曼单光子响应事件对应的一维位置分布以及光子位置与波长的对应关系获得拉曼光谱。优选地，所述两路脉冲强度分布信号为脉冲面积分布信号；或者所述两路脉冲强度分布信号为脉冲幅度分布信号。优选地，基于所述拉曼单光子响应事件对应的一维位置分布以及位置与波长的对应关系获得拉曼光谱的步骤为：根据单光子拉曼响应事件的一维位置分布，通过波长定标，测出相应的拉曼光谱。优选地，所述两路脉冲强度分布信号为脉冲面积分布信号；或者所述两路脉冲强度分布信号为脉冲幅度分布信号。根据本专利技术的另一方面，提供的一种拉曼光谱测量系统包括：光栅单色仪、一维位置灵敏硅光电倍增探测器1DPS-SiPM、放大器以及拉曼光谱获取装置，其中所述1DPS-SiPM耦合在光栅单色仪出射端，用于接收经光栅单色仪入射到1DPS-SiPM上的拉曼光子，并响应于拉曼光子的入射输出两路脉冲强度分布信号；所述放大器用于放大所述脉冲强度分布信号；所述拉曼光谱获取装置用于接收经放大的两路脉冲强度分布信号，提取拉曼单光子响应事件及其一维位置分布，并基于拉曼单光子响应事件的一维位置分布以及位置与波长的对应关系获得拉曼光谱。优选地，所述系统还包括：微型定位器和金属屏蔽盒；所述1DPS-SiPM固定在所述微型定位器上，所述1DPS-SiPM和所述微型定位器置于所述金属屏蔽盒中。优选地，所述系统还包括：激光分束器和触发装置；所述激光分束器用于将激光光源分为两束，一束用于照射待测样品产生拉曼光子，另一束照射到所述触发装置；所述触发装置接收激光而同步产生用于触发所述拉曼光谱获取装置的触发信号。优选地，所述触发装置为超快光电检测器。优选地，所述拉曼光谱获取装置为数据采集器。本专利技术提供的拉曼光谱测量方法和测量系统基于一维(1-D)位置灵敏硅光电倍增器(PS-SiPM)实现了对拉曼光谱的快速、精准地、高位置分辨率的测量。本专利技术的附加优点、目的，以及特征将在下面的描述中将部分地加以阐述，且将对于本领域普通技术人员在研究下文后部分地变得明显，或者可以根据本专利技术的实践而获知。本专利技术的目的和其它优点可以通过在书面说明及其权利要求书以及附图中具体指出的结构实现到并获得。本领域技术人员将会理解的是，能够用本专利技术实现的目的和优点不限于以上具体所述，并且根据以下详细说明将更清楚地理解本专利技术能够实现的上述和其他目的。附图说明参照以下附图，将更好地理解本专利技术的许多方面。附图中：图1为1DPS-SiPM的结构示意图，其中(a)为1DPS-SiPM的剖面结构示意图，(b)为1DPS-SiPM的示意性俯视图。图2为本专利技术中将1DPS-SiPM用于单光子拉曼光谱测量的原理性示意图，其中(a)为剖面示意图，(b)为俯视图。图3为本专利技术中基于1DPS-SiPM的单光子拉曼光谱测量系统示意图。图4为本专利技术实施例中拉曼光谱测量方法的流程示意图。图5为检测到的、对应于CCl4在538.68nm和541.35nm处的两个拉曼峰的单光子响应事件对应的入射光子位置分布(图5中的(a))以及从入射光子位置分布转换得到的针对CCl4的538.68nm和541.35nm的峰的拉曼光谱(图5中的(b))。具体实施方式下面，对本专利技术的优选实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本专利技术的实施方式仅仅是示例性的，并且本专利技术的技术精神及其主要操作不限于这些实施方式。在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本专利技术，在附图中仅仅示出了与根据本专利技术的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本专利技术关系不大的其他细节。一般的硅光电倍增探测器(SiPM)，虽然具有高增益的优点，但由于其表面重掺杂区是非连续的，不能利用表层电阻层的分流效应，因而不具备位置分辨能力。本专利技术的申请人在专利号为201410276066.3，专利技术名称为“硅光电倍增探测器”的中国专利中，提供了一种位置灵敏型SiPM，其具有一般硅光电倍增探测器(SiPM)的高增益、高时间分辨率、高光子数分辨率的优点，同时采用表面连续掺杂区实现分流，能通过极少数的电极(3-5个)实现位置灵敏功能。本专利技术中，正是在位置灵敏型SiPM的基础上，采用对弱光具有光子数分辨和位置灵敏功能的一维位置灵敏硅光电倍增探测器(1DPS-SiPM)，利用光子数分辨的能力，识别出单光子拉曼入射行为；通过单光子拉曼入射行为对应的位置信息完成成像，来实现单光子拉曼光谱的快速测量。图1所示为采用2条平行金属电极条正面电极引出结构的一维位置灵敏硅光电倍增探测器(1DPS-SiPM)示意图。其中(a)为1DPS-SiPM的剖面结构示意图，(b)为1DPS-SiPM的示意性俯视图。该1DPS-SiPM由多个雪崩光电二极管(APD)单元集成在同一个硅外延片上组成，正面电极位于器件的表面，背面电极在硅衬底一侧，在横向方向，APD单元之间由所围绕的PN结的较深耗尽区所隔离，在纵向方向，每个APD单元都串联一个雪崩淬灭电阻，雪崩淬灭电阻由硅外延层制备，所有APD单元在器件表面由均匀连续的重掺杂硅电阻层连接，重掺杂硅电阻层用作1DPS-SiPM的分流电阻。图1中，标号1表示正面电极(阴极)，标号2表示减反射膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种拉曼光谱测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：使拉曼光子经光栅单色仪入射到一维位置灵敏硅光电倍增探测器1D PS‑SiPM上；接收由1D PS‑SiPM响应于拉曼光子的入射而输出并经放大的两路脉冲强度分布信号；基于接收的两路脉冲强度分布信号提取拉曼单光子响应事件以及拉曼单光子响应事件对应的一维位置分布；以及基于所述拉曼单光子响应事件对应的一维位置分布以及光子位置与波长的对应关系获得拉曼光谱。

【技术特征摘要】
1.一种拉曼光谱测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：使拉曼光子经光栅单色仪入射到一维位置灵敏硅光电倍增探测器1DPS-SiPM上；接收由1DPS-SiPM响应于拉曼光子的入射而输出并经放大的两路脉冲强度分布信号；基于接收的两路脉冲强度分布信号提取拉曼单光子响应事件以及拉曼单光子响应事件对应的一维位置分布；以及基于所述拉曼单光子响应事件对应的一维位置分布以及光子位置与波长的对应关系获得拉曼光谱。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述两路脉冲强度分布信号为脉冲面积分布信号；或者所述两路脉冲强度分布信号为脉冲幅度分布信号。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：基于所述拉曼单光子响应事件对应的一维位置分布以及位置与波长的对应关系获得拉曼光谱的步骤为：根据所述单光子拉曼响应事件的一维位置分布，通过波长定标，测出相应的拉曼光谱。4.一种拉曼光子测量系统，其特征在于，该系统包括：光栅单色仪、一维位置灵敏硅光电倍增探测器1DPS-SiPM、放大器以及拉曼光谱获取装置，其中所述1DPS-SiPM耦合在光栅单色仪出射端，用于接收经光栅单色仪入射到1DPS-SiPM上的拉曼...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩德俊，赵天琦，彭彧，
申请(专利权)人：北京师范大学，
类型：发明
国别省市：北京,11