基于超连续谱激光器的时间分辨拉曼光谱仪制造技术

本发明专利技术公开了一种基于超连续谱激光器的时间分辨拉曼光谱仪，包括脉冲激光系统、光学分光系统、信号采集系统和数据处理系统。本发明专利技术以超连续谱激光器为激光源，以片外数字延迟单元为时间门控，以具有时间分辨能力的单光子雪崩二极管(SPAD)阵列作为拉曼信号探测器，通过CMOS SPAD线传感器上集成的片上时间数字转换器(TDC)记录拉曼光谱的时域信息，现场可编程门阵列(FPGA)控制电路对CMOS SPAD线传感器进行信号采集和处理，最后在计算机上进行暗计数去除等数据处理后得到高荧光抑制的时间分辨拉曼光谱。本发明专利技术采用超连续谱激光器和单色仪组合的方式，利用不同频率的脉冲激光照射待测样品可以获得更丰富的拉曼光谱和更准确的样品成分信息，具有很好的使用价值和应用前景。景。景。

【技术实现步骤摘要】
基于超连续谱激光器的时间分辨拉曼光谱仪


[0001]本专利技术涉及拉曼光谱仪
，特别是利用超连续谱激光器和单色仪进行多频激发光的选择的时间分辨拉曼光谱仪。

技术介绍

[0002]拉曼光谱被广泛应用于食品和石油工业、采矿业、医疗诊断、制药、法医学和考古等领域。在许多应用中，拉曼光谱面临的最大挑战是荧光。时间分辨脉冲拉曼光谱是荧光抑制的理想选择，因为拉曼信号是与激光脉冲同时采集的，激光脉冲后发射的光子可以被抑制。使用脉冲激发和时间门控测量来减少检测到的荧光光子的数量，从而产生有效的荧光和背景抑制。基于CMOS工艺制造的时间门控单光子雪崩二极管(CMOS SPAD)已经建立了时间门控拉曼光谱仪。为了通过时间门控实现有效的荧光抑制，激发激光的脉冲宽度应与待测样品的荧光寿命相比尽可能短。当栅宽为拉曼光子分布的宽度[半高全宽(FWHM)]的1
‑
2倍时，达到最佳的信噪比。确切的最佳栅宽取决于样品的属性(荧光水平和寿命)和传感器[暗计数率(DCR)、时序偏差]。市场上的时间分辨拉曼光谱仪多使用单频激光器，不能满足不同样品的拉曼光谱测量要求，如果可以选择激发波长，则可以使用该选择来将拉曼峰设置为具有最少荧光的波长范围，同时利用不同频率的脉冲激光照射同一样品可以获得该样品更完整的拉曼光谱。

技术实现思路

[0003]现有拉曼光谱仪多用单频激光器做为脉冲激光源测量样品得出的拉曼光谱，本专利技术公开了一种基于超连续谱激光器的时间分辨拉曼光谱仪，通过超连续谱激光器和单色仪的组合可以选择不同激发波长将拉曼峰设置为具有最少荧光的波长范围，使用多种频率的脉冲激光照射样品，并配合CMOS SPAD线传感器的时间选通能力和计算机的数据处理得到高荧光抑制且信息丰富的多波段激发时间分辨拉曼光谱。
[0004]本专利技术通过以下技术方案实现：时间分辨拉曼光谱仪由超连续谱激光器(1)、单色仪(2)、中性密度滤光片(3)、分束镜(4)、光电检测器(10)、准直透镜(5)、二向色镜(6)、显微镜物镜(11)、待测样品(12)、长通滤光片(7)、聚焦透镜(8)、衍射光栅(9)、片外数字延迟单元(13)、集成片上时间数字转换器(TDC)的互补金属氧化物半导体(CMOS)单光子雪崩二极管(SPAD)的时间分辨线传感器(14)、现场可编程门阵列(FPGA)控制电路(15)、计算机(16)组成；其特征在于：通过单色仪(2)调节超连续谱激光器(1)的激光频率选择合适的激发光经中性密度滤光片(3)进行光强衰减后入射至所述分束镜(4)，一小部分激光脉冲能量通过分束镜(4)被引导到一个光电检测器(10)，光电探测器(10)产生一个逻辑电平触发信号，通过一个数字延迟单元(13)传递给CMOS SPAD线传感器(14)，大部分的激光脉冲能量通过准直透镜(5)、二向色镜(6)和显微镜物镜(11)到样品上，来自样品的瑞利散射光子通过二向色镜(6)和长通滤光片(7)到达衍射光栅(9)，衍射光栅(9)对散射光子进行发散，现场可编程门阵列(FPGA)控制电路对CMOS SPAD线传感器进行信号采集和处理，计算机对接收到的
数据进行暗记数去除等处理得到高荧光抑制的时间分辨拉曼光谱仪。解决了使用一台拉曼光谱仪测量样品获得的拉曼信息不够丰富的问题。
[0005]超连续谱激光器(1)可以获得比可调节激光器更宽的光谱范围(0.4～2.4um)，即可见光区到近红外区，在超连续谱激光器后加一个单色仪(2)利用不同频率的脉冲激光对待测样品进行拉曼检测可以获得更丰富的样品成分信息。
[0006]所述的中性密度滤光片(3)将主激光束衰减到适合样品的功率水平，以减少激发光对样品的损坏。
[0007]所述的光电探测器(10)将产生一个逻辑电平触发信号，通过一个数字延迟单元(13)传递给CMOS SPAD线传感器(14)，将SPAD偏置到盖革模式，在这种模式下它们可以检测到单光子。
[0008]所述CMOS SPAD线传感器(14)上集成的时间数字转换器(TDC)用于测量背向散射拉曼光子的到达时间(零源到探测器距离的反射配置)。
[0009]所述的数字延迟单元(13)用于补偿系统的光延迟和电延迟之间的差异，从而使SPAD仅在来自样品的光子到达时被偏置，即时间门控，以收集来自样品的所有背向散射拉曼光子，但只收集环境光引起的总荧光发射和其他背景辐射的一小部分，从而产生有效的荧光和背景抑制；
[0010]所述的二向色镜(6)用于透射斯托克斯、拉曼和荧光，并反射大部分激发光。
[0011]所述的显微镜物镜(11)用于采集样品(12)在180
°
处散射的拉曼和荧光，以及瑞利散射激发光。
[0012]所述的长通滤光片(7)用于去除二色性后剩余的激发光。
[0013]所述的衍射光栅(9)对散射光子进行发散的目的是使线型传感器中每个SPAD的位置对应于一定波数范围。
[0014]所述的现场可编程门阵列(FPGA)控制电路(14)用来完成对CMOS SPAD的控制和从CMOS SPAD中读出数据，实现计算机和CMOS SPAD之间的通信。
[0015]基于超连续谱激光器的时间分辨拉曼光谱仪，
[0016]与现有技术相比，本专利技术的优点是：超连续谱激光器和单色仪组合可以选择多频激发光，可以对同一待测样品选择不同频率的脉冲激光照射或满足不同样品的拉曼信息检测要求，基于CMOS SPAD线传感器的时间选通能力和良好的通道间均匀性，结合计算机的数据处理，最后可以获得高荧光抑制且信息丰富的多波段激发时间分辨拉曼光谱。具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。
附图说明
[0017]图1是基于超连续谱激光器的时间分辨拉曼光谱仪的结构示意图。
[0018]图2是单色仪的工作原理光路图。
具体实施方式
[0019]如图1所示，基于超连续谱激光器的时间分辨拉曼光谱仪通过单色仪(2)调节超连续谱激光器(1)的激光频率选择合适的激发光经中性密度滤光片(3)进行光强衰减，以此来减少激发光对样品的损坏。一小部分激光脉冲能量通过分束镜(4)被引导到一个光电探测
器(10)，光电探测器(10)产生一个逻辑电平触发信号，通过一个数字延迟单元(13)传递给由16列256行(光谱点)组成的SPAD阵列，使系统的电信号和光信号同步，从而仅在来自样品的拉曼回波脉冲到达检测器的时间期间实现光子收集。大部分的激光脉冲能量通过准直透镜(5)、二向色镜(6)和显微镜物镜(11)到样品上，相同的二向色镜(6)可以透射来自样品的反向散射光中的斯托克斯、拉曼和荧光，并反射大部分激发光。收集的光经长通滤光片(7)除去二向色性后剩余的激发光(滤光片只透射波长长于激光波长的波长)到达衍射光栅，衍射光栅(9)对散射光子进行发散，使线传感器中每个SPAD的位置对应于一定波数范围，16
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256CMOS SPAD线传感器(14)具有集成的256通道3位片上TDC(每个光谱点一个通道)，用于测量背向散射拉曼光子的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于超连续谱激光器的时间分辨拉曼光谱仪，由脉冲激光系统、光学分光系统、信号采集系统和数据处理系统组成。其中，脉冲激光系统包括：超连续谱激光器(1)、单色仪(2)、中性密度滤光片(3)；光学分光系统包括：分束镜(4)、准直透镜(5)；信号采集系统包括：二向色镜(6)、显微镜物镜(11)、待测样品(12)、长通滤光片(7)、聚焦透镜(8)、衍射光栅(9)、片外数字延迟单元(13)、集成片上时间数字转换器(TDC)的互补金属氧化物半导体(CMOS)单光子雪崩二极管(SPAD)的时间分辨线传感器(14)；数据处理系统包括：现场可编程门阵列(FPGA)控制电路(15)、计算机(16)。2.根据权利要求1所述的脉冲激光系统，其特征在于：可以根据不同的拉曼光谱测量要求通过单色仪(2)调节超连续谱激光器(1)的激光频率再经中性密度滤光片(3)进行光强衰减后入射至所述分束镜(4...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵天琦，李佳宝，冯桂兰，金尚忠，占春连，石岩，徐睿，陈义，
申请(专利权)人：中国计量大学，
类型：发明
国别省市：