[發明專利]脈沖型延時色散光譜測量方法和裝置及光譜成像方法和裝置

有效

• 申請號: 202010401969.5
• 申請日: 2020-05-13
• 公開（公告）號: CN111504978B
• 公開（公告）日: 2021-03-30
• 發明（設計）人: 王平;李昊政
• 申請（專利權）人: 華中科技大學;武漢華眸光電科技有限公司
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65;G01N21/63;G01N21/01
• 代理公司: 武漢華之喻知識產權代理有限公司 42267
• 代理人: 廖盈春;曹葆青

本發明屬于光譜測量和光譜成像技術領域，本發明公開了一種脈沖型延時色散光譜測量方法和裝置及光譜成像方法和裝置；光譜測量方法包括：S1：通過脈沖激光激發待測樣品并產生瞬時光譜；S2：將瞬時光譜中的不同光子在時間上進行延時處理并根據時序先后依次分開；S3：采用高速高靈敏光電探測器探測光譜中隨時間而來的光子。本發明采用瞬間脈沖來激發樣品，并將樣品中被激發出的光譜集中到激發光脈沖之間的時間段，再利用單通道高靈敏光電探測器對時間上展開的光譜實現高效率的直接測量，不需要依賴多通道探測設備測量光譜；不僅可以高效利用光譜中的所有光子，而且還可以從數量級上提高光譜測量的靈敏度，從而提高光譜測量效率。

技術領域

本發明屬于光譜測量和光譜成像技術領域，更具體地，涉及一種脈沖型延時色散光譜測量方法和裝置及光譜成像方法和裝置。

背景技術

光譜因為具有分子特異性以及其它分析和測量優勢，已經在生物、化學、材料、醫學等眾多領域以及工業生產中得到了廣泛應用。熒光光譜源于原子分子中電子態躍遷，可應用于成像、原子分子成分、狀態的識別、以及熒光標記。但熒光光譜譜線的線寬較寬，大都在20nm～100nm的范圍，導致熒光成像技術很難實現五種以上的多色成像。相比之下，拉曼光譜源于分子的振動態躍遷，其拉曼指紋譜具有很好的分子特異性，能夠識別和表征復雜系統中的化學組分，可以定量分子的濃度。并且拉曼光譜具有更窄的特征峰線寬，僅有0.1nm～1nm，可以實現多色拉曼成像。利用特別的拉曼標簽，可發展百色或更多色的拉曼標記，實現對生物體中百種以上蛋白、核糖核酸(Ribonucleic acid，RNA)的標記、識別、定位與成像。但是由于傳統拉曼的信號十分微弱，且生物體內的分子濃度較低，因此普通拉曼很難在生物成像上有更廣闊的應用。

普通拉曼光譜儀的探測器通常采用CCD相機進行光譜采集。CCD相機不但靈敏度低，需要復雜的降溫系統才能壓制電子噪聲，而且數據傳輸速度慢，不能實現高速的信號采集。光電倍增管(Photomultiplier tube，PMT) 靈敏度遠遠高于CCD像素，但是使用高靈敏光電倍增管陣列代替CCD像素，需要100～1000個獨立的PMT探頭，價格昂貴，系統復雜，無法實現。因此僅依靠CCD光譜儀進行拉曼光譜記錄的模式極大限制了拉曼的靈敏度，長期制約了拉曼的發展。

相干拉曼散射包括相干反斯托克斯散射(Coherent Anti-Stokes Scattering,CARS)和受激拉曼散射(Stimulated Raman Scattering,SRS)，其拉曼信號強度比普通的拉曼信號高3～7個數量級。因此CARS和SRS被廣泛應用于無標記的生物成像領域。CARS通過光電倍增管(PMT)，SRS通過鎖相放大方式實現拉曼信號的探測，兩者的優勢是都可實現高速高靈敏的拉曼分子成像，但劣勢是只能針對單個拉曼峰進行成像。但對于探測更多特征峰的拉曼光譜的采集與成像，SRS則需要通過掃描脈沖激光波長等方式實現，速度慢，且光譜范圍有限。同樣，CARS光譜的采集也離不開傳統CCD光譜儀，靈敏度不僅低而且采集速度慢。由于在光譜探測中一直無法使用量子效率或者增益放大高的探測器，導致拉曼光子的探測非常低效，意味著光子數的嚴重浪費。即使使用單通道PMT或光子計數器，分時探測用光柵在空間上分開的多個波長的光子，同樣也會導致光子的浪費。

發明內容

針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種脈沖型延時色散光譜測量方法及裝置，旨在解決現有光譜測量技術中由于光譜儀的探測靈敏度不足導致光譜測量效率低的問題。

本發明提供了一種脈沖型延時色散光譜測量方法，包括下述步驟：

S1：通過脈沖激光激發待測樣品并產生瞬時光譜；

S2：將瞬時光譜中的不同光子在時間上進行延時處理并根據時序先后依次分開；

S3：采用高速高靈敏光電探測器探測光譜中隨時間而來的光子。

其中，在步驟S2中，將瞬時光譜中不同光子按波長、頻率、相位、能量、偏振、波矢方向或強度在時間上進行延遲并分散開。