一种时间门控拉曼光谱系统技术方案

本实用新型专利技术实施例公开了一种时间门控拉曼光谱系统，包括光源模块、自由空间耦合模块、光纤分束模块、光电探测模块、传输模块、拉曼光谱采集模块和控制模块；光纤分束模块包括第一输出端和第二输出端，第一输出端的输出功率小于第二输出端，第二输出端设置有延时光纤；光电探测模块将第一输出端的输出光脉冲转换为触发电信号；传输模块将第二输出端经光纤延迟后的输出光脉冲汇聚至待测样品，并将待测样品输出的拉曼散射光传输至拉曼光谱采集模块；拉曼光谱采集模块包括数据采集卡和光电探测器，光电探测器将拉曼散射光转换为数据电信号，数据采集卡根据触发电信号的触发开始采集数据电信号；控制模块对数据电信号进行数据处理。控制模块对数据电信号进行数据处理。控制模块对数据电信号进行数据处理。

【技术实现步骤摘要】
一种时间门控拉曼光谱系统


[0001]本技术涉及光学
，尤其涉及一种时间门控拉曼光谱系统。

技术介绍

[0002]拉曼光谱是基于光子激发后非弹性散射的光强随波长分布。类似于红外线光谱，拉曼光谱信息可用于研究不同环境下材料的化学或生物指纹聚集状态(固体、液体或气体)，且不需要对样品进行特殊制备，已经广泛应用于农业、食品、石油、医疗诊断和制药行业。
[0003]然而在一些潜在应用中，样品发射的荧光信号部分或完全掩盖了较弱的拉曼信号，导致拉曼光谱分布失真，使得材料识别与量化不太可能。解决这个问题的有效方法是时间门控拉曼技术。尽管荧光信号部分或完全掩盖了较弱的拉曼信号，拉曼散射和荧光发射这两种现象的时域响应时间不一致：拉曼光子通常在皮飞秒级时间内从样品中散射，而荧光光子通常以几纳秒或更长的时间开始发射。利用这个特性，可以通过快速采样区分开荧光信号，这便是时间门控技术抑制荧光的基本原理。目前，时间门控可以通过超快速门控增强ICCD、克尔门、单光子雪崩二极管SPAD或其他各种类型光电倍增管(如SPM，PMT，MPPC)来实现。
[0004]时间门控拉曼系统需要实现探测器门控信号与拉曼脉冲信号的时域同步。在时间门控拉曼系统中激光源被分为两束强弱不同的对比光：第一路弱光被触发探测器探测到并转换为电脉冲并最终传送到高速光电传感器模块上实现门控开关触发。另一束强光照射到样品上产生拉曼散射，拉曼散射光通过光器件最终被高速光电探测器检测到从而实现光谱的采集。由于触发电路通常有10ns～100ns左右的内部时间延迟，从而导致触发信号晚于拉曼光脉冲到达，无法获取时间分辨信息。通常解决方案是利用激光的重频性质，即第1个光脉冲产生的触发信号用来接收第N个光脉冲产生的拉曼信号，但这对要求激光的重频抖动(jitter)幅度很小，使得脉冲激光的成本非常高，不利于广泛应用。

技术实现思路

[0005]本技术实施例提供了一种时间门控拉曼光谱系统，通过将光源模块输出脉冲激光分束为两束功率不同的光束，功率较弱的一束用于触发门控信号，功率较强的一束用于拉曼光谱信号扫描，并通过在第二输出端设置延时光纤，集成光束分光与时间补偿为一体，解决了由于触发电路通常有10ns～100ns左右的内部时间延迟，从而导致触发信号晚于拉曼光脉冲到达，无法获取时间分辨信息的问题，进而解决门控信号与拉曼脉冲信号的时间不同步的问题。
[0006]根据本技术的一方面，提供了一种时间门控拉曼光谱系统，其中包括光源模块、自由空间耦合模块、光纤分束模块、光电探测模块、传输模块、拉曼光谱采集模块和控制模块；
[0007]所述光源模块用于输出脉冲激光；
[0008]所述自由空间耦合模块用于将发散的所述脉冲激光耦合入所述光纤分束模块的输入端；
[0009]所述光纤分束模块包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端的输出功率小于所述第二输出端的输出功率，所述第二输出端设置有延时光纤；
[0010]所述光电探测模块用于将所述第一输出端的输出光脉冲转换为触发电信号；
[0011]所述传输模块用于将所述第二输出端输出的经过所述延时光纤延迟后的输出光脉冲汇聚至待测样品，并将所述待测样品输出的拉曼散射光传输至所述拉曼光谱采集模块；
[0012]所述拉曼光谱采集模块包括数据采集卡和光电探测器，所述光电探测模块和所述光电探测器均与所述数据采集卡连接，所述光电探测器用于将所述拉曼散射光转换为数据电信号，所述数据采集卡根据所述触发电信号的触发开始采集所述数据电信号；
[0013]所述控制模块与所述拉曼光谱采集模块连接，所述控制模块用于对所述数据电信号进行数据处理。
[0014]可选的，所述自由空间耦合模块包括沿光路依次设置的汇聚透镜和光纤准直器，所述光纤准直器的输出光纤与所述光纤分束模块的输入光纤连接；
[0015]所述汇聚透镜将发散的所述脉冲激光转化为准直光，所述光纤准直器将准直光耦合入光纤内。
[0016]可选的，所述汇聚透镜包括平凸透镜、弯月型透镜或非球面透镜的至少一种；所述光纤准直器内部包括沿远离所述汇聚透镜方向上依次排列的双胶合透镜和正弯月透镜。
[0017]可选的，所述汇聚透镜、所述双胶合透镜和所述正弯月透镜的表面均设置有增透膜。
[0018]可选的，所述延时光纤包括可延时光纤或不可延时光纤。
[0019]可选的，所述光电探测器为单像素光电探测器，所述单像素光电探测器包括单光子雪崩光电二极管、单像素硅光电倍增管或单像素微通道板；或者
[0020]所述光电探测器为多像素光电探测器，所述多像素光电探测器包括增强型电荷耦合器件、单光子雪崩光电二极管阵列或多像素微通道板。
[0021]可选的，所述光源模块包括电源、激光驱动器和激光头，所述电源用于为所述激光驱动器提供能源，所述激光头用于输出所述脉冲激光。
[0022]可选的，所述传输模块包括光纤拉曼探测器、显微探测器或共聚焦显微探测器。
[0023]可选的，所述拉曼光谱采集模块包括拉曼分光单元，所述拉曼分光单元用于将不同波长的拉曼散射光在空间分离。
[0024]可选的，所述光电探测器为单像素光电探测器，所述拉曼光谱采集模块还包括步进电机和直线导轨，所述步进电机用于带动所述单像素光电探测器沿所述直线导轨移动，以使所述单像素光电探测器接收各个波长的拉曼散射光。
[0025]本技术实施例提供的技术方案，通过光纤分束模块将光源模块输出脉冲激光分束为两束功率不同的光束，功率较弱的一束用于转换为触发信号，功率较强的一束用于拉曼光谱信号扫描，并通过在第二输出端设置延时光纤，集成光束分光与时间补偿为一体，解决了由于触发电路通常有10ns～100ns左右的内部时间延迟，从而导致触发信号晚于拉曼光脉冲到达，无法获取时间分辨信息的问题，进而解决数据采集与拉曼脉冲信号到达的
时间不同步的问题，从而可以使用性能较低的脉冲激光来适用于时间门控拉曼光谱系统，降低仪器生产成本。且两束光束以光纤形式输出，方向任意灵活，自由度高，为后续调节共聚焦拉曼显微镜的光路提供方便。
[0026]应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本技术的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本技术的范围。本技术的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0028]图1为时间门控拉曼光谱技术的工作原理示意图；
[0029]图2为本技术实施例提供的第一种时间门控拉曼光谱系统的结构示意图；
[0030]图3为本技术实施例提供的第一种自由空间耦合模块的结构示意图；
[0031]图4为本技术实施例提供的第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种时间门控拉曼光谱系统，其特征在于，包括光源模块、自由空间耦合模块、光纤分束模块、光电探测模块、传输模块、拉曼光谱采集模块和控制模块，所述光电探测模块和所述控制模块均与所述拉曼光谱采集模块连接；所述光源模块用于输出脉冲激光；所述自由空间耦合模块用于将发散的所述脉冲激光耦合入所述光纤分束模块的输入端；所述光纤分束模块包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端的输出功率小于所述第二输出端的输出功率，所述第二输出端设置有延时光纤；所述光电探测模块用于将所述第一输出端的输出光脉冲转换为触发电信号；所述传输模块用于将所述第二输出端输出的经过所述延时光纤延迟后的输出光脉冲汇聚至待测样品，并将所述待测样品输出的拉曼散射光传输至所述拉曼光谱采集模块；所述拉曼光谱采集模块包括数据采集卡和光电探测器，所述光电探测模块和所述光电探测器均与所述数据采集卡连接，所述光电探测器用于将所述拉曼散射光转换为数据电信号，所述数据采集卡根据所述触发电信号的触发开始采集所述数据电信号；所述控制模块用于对所述数据电信号进行数据处理。2.根据权利要求1所述的时间门控拉曼光谱系统，其特征在于，所述自由空间耦合模块包括沿光路依次设置的汇聚透镜和光纤准直器，所述光纤准直器的输出光纤与所述光纤分束模块的输入光纤连接；所述汇聚透镜将发散的所述脉冲激光转化为准直光，所述光纤准直器将准直光耦合入光纤内。3.根据权利要求2所述的时间门控拉曼光谱系统，其特征在于，所述汇聚透镜包括平凸透镜、弯月型透镜或非球面透镜的至少一种；所述光纤准直器...

【专利技术属性】
技术研发人员：王振友，张毅，方广有，
申请(专利权)人：广东大湾区空天信息研究院，
类型：新型
国别省市：