[發明專利]基于超連續譜激光器的時間分辨拉曼光譜儀

在審

• 申請號: 202210235694.1
• 申請日: 2022-03-11
• 公開（公告）號: CN114839174A
• 公開（公告）日: 2022-08-02
• 發明（設計）人: 趙天琦;李佳寶;馮桂蘭;金尚忠;占春連;石巖;徐睿;陳義
• 申請（專利權）人: 中國計量大學
• 主分類號: G01N21/65
• 分類號: G01N21/65;G01J3/44
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于超連續譜激光器的時間分辨拉曼光譜儀，包括脈沖激光系統、光學分光系統、信號采集系統和數據處理系統。本發明以超連續譜激光器為激光源，以片外數字延遲單元為時間門控，以具有時間分辨能力的單光子雪崩二極管(SPAD)陣列作為拉曼信號探測器，通過CMOS SPAD線傳感器上集成的片上時間數字轉換器(TDC)記錄拉曼光譜的時域信息，現場可編程門陣列(FPGA)控制電路對CMOS SPAD線傳感器進行信號采集和處理，最后在計算機上進行暗計數去除等數據處理后得到高熒光抑制的時間分辨拉曼光譜。本發明采用超連續譜激光器和單色儀組合的方式，利用不同頻率的脈沖激光照射待測樣品可以獲得更豐富的拉曼光譜和更準確的樣品成分信息，具有很好的使用價值和應用前景。

技術領域

本發明涉及拉曼光譜儀技術領域，特別是利用超連續譜激光器和單色儀進行多頻激發光的選擇的時間分辨拉曼光譜儀。

背景技術

拉曼光譜被廣泛應用于食品和石油工業、采礦業、醫療診斷、制藥、法醫學和考古等領域。在許多應用中，拉曼光譜面臨的最大挑戰是熒光。時間分辨脈沖拉曼光譜是熒光抑制的理想選擇，因為拉曼信號是與激光脈沖同時采集的，激光脈沖后發射的光子可以被抑制。使用脈沖激發和時間門控測量來減少檢測到的熒光光子的數量，從而產生有效的熒光和背景抑制。基于CMOS工藝制造的時間門控單光子雪崩二極管(CMOS SPAD)已經建立了時間門控拉曼光譜儀。為了通過時間門控實現有效的熒光抑制，激發激光的脈沖寬度應與待測樣品的熒光壽命相比盡可能短。當柵寬為拉曼光子分布的寬度[半高全寬(FWHM)]的1-2倍時，達到最佳的信噪比。確切的最佳柵寬取決于樣品的屬性(熒光水平和壽命)和傳感器[暗計數率(DCR)、時序偏差]。市場上的時間分辨拉曼光譜儀多使用單頻激光器，不能滿足不同樣品的拉曼光譜測量要求，如果可以選擇激發波長，則可以使用該選擇來將拉曼峰設置為具有最少熒光的波長范圍，同時利用不同頻率的脈沖激光照射同一樣品可以獲得該樣品更完整的拉曼光譜。

發明內容

現有拉曼光譜儀多用單頻激光器做為脈沖激光源測量樣品得出的拉曼光譜，本發明公開了一種基于超連續譜激光器的時間分辨拉曼光譜儀，通過超連續譜激光器和單色儀的組合可以選擇不同激發波長將拉曼峰設置為具有最少熒光的波長范圍，使用多種頻率的脈沖激光照射樣品，并配合CMOS SPAD線傳感器的時間選通能力和計算機的數據處理得到高熒光抑制且信息豐富的多波段激發時間分辨拉曼光譜。

本發明通過以下技術方案實現：時間分辨拉曼光譜儀由超連續譜激光器(1)、單色儀(2)、中性密度濾光片(3)、分束鏡(4)、光電檢測器(10)、準直透鏡(5)、二向色鏡(6)、顯微鏡物鏡(11)、待測樣品(12)、長通濾光片(7)、聚焦透鏡(8)、衍射光柵(9)、片外數字延遲單元(13)、集成片上時間數字轉換器(TDC)的互補金屬氧化物半導體(CMOS)單光子雪崩二極管(SPAD)的時間分辨線傳感器(14)、現場可編程門陣列(FPGA)控制電路(15)、計算機(16)組成；其特征在于：通過單色儀(2)調節超連續譜激光器(1)的激光頻率選擇合適的激發光經中性密度濾光片(3)進行光強衰減后入射至所述分束鏡(4)，一小部分激光脈沖能量通過分束鏡(4)被引導到一個光電檢測器(10)，光電探測器(10)產生一個邏輯電平觸發信號，通過一個數字延遲單元(13)傳遞給CMOS SPAD線傳感器(14)，大部分的激光脈沖能量通過準直透鏡(5)、二向色鏡(6)和顯微鏡物鏡(11)到樣品上，來自樣品的瑞利散射光子通過二向色鏡(6)和長通濾光片(7)到達衍射光柵(9)，衍射光柵(9)對散射光子進行發散，現場可編程門陣列(FPGA)控制電路對CMOS SPAD線傳感器進行信號采集和處理，計算機對接收到的數據進行暗記數去除等處理得到高熒光抑制的時間分辨拉曼光譜儀。解決了使用一臺拉曼光譜儀測量樣品獲得的拉曼信息不夠豐富的問題。

超連續譜激光器(1)可以獲得比可調節激光器更寬的光譜范圍(0.4～2.4um)，即可見光區到近紅外區，在超連續譜激光器后加一個單色儀(2)利用不同頻率的脈沖激光對待測樣品進行拉曼檢測可以獲得更豐富的樣品成分信息。