【技术实现步骤摘要】
(一)本专利技术涉及的是一种高集成度拉曼光谱探测系统，可实现一种分辨率高、集成度高的拉曼光谱探测装置，可广泛应用于生物医学、军事侦察、法庭取证等领域，属于光谱探测。
技术介绍
0、(二)
技术介绍
1、拉曼光谱是由印度学者拉曼于1928年发现并提出的，又称为拉曼效应，最初是从水分子的散射现象中发现的。早期的拉曼光谱的产生只能以汞灯作为光源，导致产生的拉曼散射光非常微弱，从而降低了拉曼光谱的灵敏度，后面激光的出现虽然提高了拉曼光谱的灵敏度，但由于色散拉曼采集时间较长，拉曼光谱探测应用未能普及。直到近些年，高灵敏度的分光系统和探测器得以发展，提高了拉曼光谱仪的灵敏度和效率，减少了光谱采集的时间，才使得拉曼光谱成为一种简单便捷、高速、高效的探测手段。
2、拉曼散射现象的本质就是分子与入射的光子发生了非弹性碰撞，入射单色光束的光子会与分子之间发生碰撞，分为弹性碰撞和非弹性碰撞。其中，非弹性碰撞时会发生能量的交换，即入射光子与分子之间产生了能量的传递，可以是分子通过振动和转动的方式将能量传递给光子，也可以是光子将其一部分的能量传递给分子，从而导致入射光的频率发生改变，这就是拉曼散射的特征过程因此，拉曼光谱的频率变化一定程度上体现了分子的振转信息、原子质量以及分子的结构、对称性等相关信息。目前，拉曼光谱主要应用于地质流体的研究、国防科技、生物医学、食品安全等领域。
3、目前，探测拉曼光谱所用的仪器一般是传统光谱仪，传统光谱仪让拉曼散射光进入单色仪内部进行分光，然后经过像增强器对其进行增强，再用ccd探测器进
4、利用传统光谱仪探测拉曼光谱存在以下缺陷和不足：1、探测流程过于繁杂，需要先对入射的拉曼散射光进行分光处理，然后再进行增强，最后再作用到探测器上进行探测，这就导致拉曼光谱探测时间过长，不能实时的分析出待测样品的分子信息，而且探测系统集成度不高，不利于实际应用；2、在长时间的工作过程中，光谱探测系统容易受到环境因素的影响，导致分光偏移、聚焦错位等问题，降低了光谱探测的灵敏度；3、微弱的拉曼散射光经过分光和多重的增强后，可能会出现光谱信息失真的现象，导致通过拉曼光谱分析得到的分子信息出现较大的误差。
5、为了解决上述问题，本专利技术公开了一种高集成度拉曼光谱探测系统，该系统利用雪崩型光电二极管直接对样品产生的拉曼散射光进行探测，因为雪崩型光电二极管在不同偏压下有不同的光谱响应，所以该系统不需要单独的光学器件就能够实现对光谱的分辨，只要组合足够多的偏压，该系统就能够得到高分辨率的光谱响应函数，从而实现对拉曼光谱的精准探测，该光谱系统相比于其他系统，具有高集成度和快速响应的优点，而且制造过程简单，可以实现低成本量产，最终可实现灵敏度高、结构简单且响应速度高的高集成度拉曼探测光谱系统。
6、当一束混合光照射到样品上，所产生的拉曼散射的强度ir公式(1)所示:
7、
8、其中c表示光的传播速度，h表示普朗克常数，il表示激发光光源的强度值，n表示发生拉曼散射的分子数，v0表示激发光光源的频率，μ表示振动原子的折合质量，k表示玻尔兹曼常数，t0表示绝对温度，α表示极化率张量的平均值不变量，γ表示极化率张量的有向性不变量。
9、拉曼散射光照射到雪崩型光电二极管上，产生的光电流如公式(2)所示：
10、il＝-qag×(ln+x+lp) (2)
11、其中a为雪崩型光电二极管pn结的结面积，x为势垒宽度，ln和lp分别是空穴和电子扩散长度。
12、在没有入射光时，雪崩型光电二极管产生的暗电流如公式(3)所示：
13、
14、其中，i0为反向饱和电流，kt为热压当量，v为二极管的偏置电压，当有入射光照射到雪崩型光电二极管时，产生的总电流应该是暗电流和光电流之和。
15、光谱响应度指的是光电探测器对单色光的响应能力，这个能力和探测器的pn结深度有单调关系，而pn结深度会随着加在探测器上的偏压的变化而改变，所以同一个光电二极管在不同的偏压下有不同的光谱响应度。
16、f(λ)表示入射光的光谱信息，包含的参数为光强和波长，r(i,j)(λ)表示偏置电压为vi时雪崩型光电二极管对波长为λj的单色光的光谱响应，当入射光f(λ)照射雪崩型光电二极管，在外置偏压为vi时测量得到的光电流ii可以用公式(4)表示：
17、
18、其中，n表示预先测试得到光谱响应函数中的波长数量，光谱系统可检测的波长范围是从λmin到λmax，当拉曼散射光入射当二极管上时，光电流i和光谱响应函数r都是已知量，拉曼光谱f(λ)可以通过求解方程(4)得到。
技术实现思路
0、(三)
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于提供一种高集成度拉曼光谱探测系统，可广泛应用于生物医学、地质勘探、法庭取证等领域。
2、高集成度拉曼光谱探测系统由激光光源模块、光源增强模块、样品室、接收光路模块、雪崩型光电二极管、偏置电压电路、跨阻放大器(tia)、模拟数字(ad)转换电路、光谱重构系统和信息显示系统组成。所述系统工作时由激光光源模块发出特定波长的激光，照射到待测样品上，使样品分子吸收部分光子，发生多种不同的跃迁后向外辐射出光子，出射光经过接收光路模块后去除入射光的影响，使有效的微弱拉曼散射光照射到雪崩型光电二极管上产生光电流，跨阻放大器(tia)将光电流信号转换为电压信号，模拟数字转换电路将输入的电压信号转化为数字信号并输入到光谱重构系统，最后重构出出射的拉曼光谱；雪崩型光电二极管在不同偏压下的光谱响应不同，其在不同偏压下的光谱响应会经过预先测试得到并作为光谱响应函数存储到光谱重构系统中，光谱重构系统将从模拟数字(ad)转换电路得到信号与光谱响应函数作为输入，通过重构算法将输入进行计算处理从而重构出光谱信息，光源光谱通过信息显示系统进行显示。
3、激光光源模块激光光源和聚焦物镜组成，激光光源发出的激光的中波长是不固定的，根据待测样品的种类和需要测试的分子信息来选择最优的中心波长或者多个中心波长。光源增强模块由一块凹面镜组成，可以将左侧的拉曼散射光反射聚焦，与激光入射点共点，一起进入接受光路模块。本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种高集成度拉曼光谱探测系统，由激光光源模块、光源增强模块、样品室、接收光路模块、雪崩型光电二极管、偏置电压电路、跨阻放大器(TIA)、模拟数字(AD)转换电路、光谱重构系统和信息显示系统组成。所述系统工作时由激光光源模块发出特定波长的激光，照射到待测样品上，使样品分子吸收部分光子，发生多种不同的跃迁后向外辐射出光子，出射光经过接收光路模块后去除入射光的影响，使有效的微弱拉曼散射光照射到雪崩型光电二极管上产生光电流，跨阻放大器(TIA)将光电流信号转换为电压信号，模拟数字转换电路将输入的电压信号转化为数字信号并输入到光谱重构系统，最后重构出出射的拉曼光谱；雪崩型光电二极管在不同偏压下的光谱响应不同，其在不同偏压下的光谱响应会经过预先测试得到并作为光谱响应函数存储到光谱重构系统中，光谱重构系统将从模拟数字(AD)转换电路得到信号与光谱响应函数作为输入，通过重构算法将输入进行计算处理从而重构出光谱信息，光源光谱通过信息显示系统进行显示。
2.根据权利要求1所述的高集成度拉曼光谱探测系统，其特征是：所述的激光光源模块激光光源和聚焦透镜组成，激光光源发出的激光的中波长是不
3.根据权利要求1所述的高集成度拉曼光谱探测系统，其特征是：所述的光源增强模块由一块凹面镜组成，可以将左侧的拉曼散射光反射聚焦，与激光入射点共点，一起进入接受光路模块。
4.根据权利要求1所述的高集成度拉曼光谱探测系统，其特征是：所述的接受光路模块由聚焦透镜和高通滤波片组成，聚焦透镜和高通滤波片可以对样品出射的散射光进行聚焦和滤波，提取出微弱的拉曼散射光并进入积分球，通过积分球使得散射光均匀地照射在雪崩型光电二极管上。
5.根据权利要求1所述的高集成度拉曼光谱探测系统，其特征是：所用的雪崩型光电二极管在不同偏压下地光谱响应不同，因此可以通过改变施加在半导体光电二极管上的偏压来得到多组光谱响应。
6.根据权利要求1所述的高集成度拉曼光谱探测系统，其特征是：偏置电压电路能够给雪崩型光电二极管施加多组不同的偏置电压，雪崩型光电二极管在不同电压下的光谱响应不同，即在相同入射光下输出电流不同，输出电流连接跨阻放大器(TIA)从而转换成电压信号，电压信号经过模拟数字(AD)转换电路后转换成数字信号，雪崩型光电二极管在不同偏压下地光谱响应都会被预先测定好，以矩阵信息的形式储存到光谱重构系统中，光谱响应信息包括二极管的偏置电压、入射光的波长和相应的输出光电流。
7.根据权利要求1所述的高集成度拉曼光谱探测系统，其特征是：所述的雪崩型光电二极管光谱响应矩阵的测量方式：先由宽谱光源发出宽谱光，在经过带通滤光片后变成单色光，固定单色光的波长，调节雪崩型光电二极管的偏置电压，记录所得到的光电流信息，然后改变单色光波长，重复上述的操作，偏置电压调节次数要和波长数相同，偏置电压的改变可以按照固定步长进行变化，也可以无规则变化。
8.根据权利要求1所述的高集成度拉曼光谱探测系统，其特征是：所述的光谱重构系统的目的是还原出未知入射光的光谱信息即光通量和波长，在光谱重构系统中利用矩阵方程重构出入射光，将入射光的参数光通量和波长设为未知量F(λ)，已知量R(i,j)(λ)表示雪崩型光电二极管在偏压为Vi且入射光波长为λj时的光谱响应，已知量Ii表示未知光入射后雪崩型光电二极管偏压为Vi时的光电流，F(λ)和I都是n×1的矩阵，R为n×n的矩阵，系统探测波长的范围是从λmin到λmax，n为预测测出的光谱响应中的波长数量和偏压组数，即光谱重构系统的分辨率，因此在一束未知入射光照射到雪崩型光电二极管上产生的光电流Ii为在偏压Vi下每种波长的光对探测器产生的光电流进行叠加，也就是未知量F(λ)可以通过求解矩阵方程得到。
...【技术特征摘要】
1.一种高集成度拉曼光谱探测系统，由激光光源模块、光源增强模块、样品室、接收光路模块、雪崩型光电二极管、偏置电压电路、跨阻放大器(tia)、模拟数字(ad)转换电路、光谱重构系统和信息显示系统组成。所述系统工作时由激光光源模块发出特定波长的激光，照射到待测样品上，使样品分子吸收部分光子，发生多种不同的跃迁后向外辐射出光子，出射光经过接收光路模块后去除入射光的影响，使有效的微弱拉曼散射光照射到雪崩型光电二极管上产生光电流，跨阻放大器(tia)将光电流信号转换为电压信号，模拟数字转换电路将输入的电压信号转化为数字信号并输入到光谱重构系统，最后重构出出射的拉曼光谱；雪崩型光电二极管在不同偏压下的光谱响应不同，其在不同偏压下的光谱响应会经过预先测试得到并作为光谱响应函数存储到光谱重构系统中，光谱重构系统将从模拟数字(ad)转换电路得到信号与光谱响应函数作为输入，通过重构算法将输入进行计算处理从而重构出光谱信息，光源光谱通过信息显示系统进行显示。
2.根据权利要求1所述的高集成度拉曼光谱探测系统，其特征是：所述的激光光源模块激光光源和聚焦透镜组成，激光光源发出的激光的中波长是不固定的，根据待测样品的种类和需要测试的分子信息来选择最优的中心波长或者多个中心波长。
3.根据权利要求1所述的高集成度拉曼光谱探测系统，其特征是：所述的光源增强模块由一块凹面镜组成，可以将左侧的拉曼散射光反射聚焦，与激光入射点共点，一起进入接受光路模块。
4.根据权利要求1所述的高集成度拉曼光谱探测系统，其特征是：所述的接受光路模块由聚焦透镜和高通滤波片组成，聚焦透镜和高通滤波片可以对样品出射的散射光进行聚焦和滤波，提取出微弱的拉曼散射光并进入积分球，通过积分球使得散射光均匀地照射在雪崩型光电二极管上。
5.根据权利要求1所述的高集成度拉曼光谱探测系统，其特征是：所用的雪崩型光电二极管在不同偏压下...
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