射频标记光谱仪及光谱测量方法

本公开涉及一种光谱仪，尤其涉及一种射频标记光谱仪及光谱测量方法。

背景技术：

1、光谱学在大气科学、食品工业和医学诊断等许多领域有着广泛的应用。光谱学的关键设备是光谱仪，通过它可以获得光谱数据以供后续分析。通常，优选能够高速光谱测量的光谱仪，特别是用于研究动态现象。根据工作原理，目前可用的光谱仪可大致分为以下几类。

2、第一种类型基于入射光的角色散，使用例如棱镜、光栅或声光滤光器的色散元件。使用例如照相机的多通道探测器来同时测量所有波长分量，或者使用诸如光电二极管的单通道探测器来顺序地测量每个波长分量。单通道探测器或多通道探测器的每个通道每次仅接收一个波长的光线。

3、第二种类型基于波长复用测量、以及通过例如阿达玛变换和压缩传感数学变换，来实现光谱重建。不是每次测量一个波长的光强度，这种光谱仪而是每次测量一个系数，其中每个系数是所有波长的光强度的加权总和。

4、第三种类型是基于光相干性的测量。入射光自身干涉，但在不同的时间或光路长度延迟后，产生干涉图，其傅立叶变换是所需光谱。可以顺序地或同时地实现多个光路长度的延迟，并且分别使用光电二极管或照相机记录干涉图。

5、通常，在这些技术中，将测量过程从一个波长分量或一个系数顺序地切换到另一个，速度缓慢。此外，在同时测量所有波长分量或系数的技术中，通常使用直流(dc)检测，其受到信号漂移和噪声的影响，从而限制了测量速度。

6、第四种类型是基于光的时间色散，即每种波长的光脉冲在诸如光纤的色散介质中通过相同距离传播不同的时间。该原理用于将光从光谱域转换到时域，即时间拉伸色散傅立叶变换，并使用快速单通道探测器记录脉冲源的光谱。

7、最近，近场光的时间色散被用于从量子点检索荧光光谱。通过使用内置的受激拉曼散射的光放大器，这种时间色散技术非常灵敏且快速。不幸的是，这种方法只适用于脉冲光，限制了该方法的应用，例如不能用于连续波的光线盛行的许多常见应用。对于连续波光谱测量，基于光谱仪和ccd/cmos传感器的商用光谱仪可以达到数百千赫兹的速度，主要用于光学相干层析成像(oct)应用。该理论速度受ccd/cmos传感器帧速率的限制，而实际测量速度通常受信噪比的限制。

技术实现思路

1、为了解决上述技术问题之一，本公开提供了一种射频标记光谱仪及光谱测量方法。

2、根据本公开的一个方面，提供了一种射频标记光谱仪，包括：动态色散器件，所述动态色散器件接收包括两个以上波长分量的光束并且由驱动射频信号进行驱动，所述动态色散器件基于不同的驱动射频信号将每个波长分量的强度编码为不同拍频射频信号的振幅，其中所述不同拍频射频信号的拍频等于相应驱动射频信号的频率；单通道光电探测器，所述单通道光电探测器用于检测所有的拍频射频信号相加形成的拍频射频信号之和；以及处理单元，所述处理单元用于将所述拍频射频信号之和进行傅里叶变换以得到光谱、或者得到与光谱相关的频谱并且基于该频谱得到所述光谱。

3、根据本公开的至少一个实施方式的射频标记光谱仪，对所述与光谱相关的频谱进行数学运算以去除色散效率的因素来求出所述光谱。

4、根据本公开的至少一个实施方式的射频标记光谱仪，还包括光束选择装置，所述光束选择装置用于从所述动态色散器件的输出光束中选择特定光束以使所选光束的每个波长有唯一的编码。

5、根据本公开的至少一个实施方式的射频标记光谱仪，所述光束选择装置为空间滤波器，所述空间滤波器用于对所述动态色散器件的输出光束进行过滤，以便选择特定光束以使所选光束的每个波长有唯一的编码。

6、根据本公开的至少一个实施方式的射频标记光谱仪，所述动态色散器件为声光偏转器。

7、根据本公开的至少一个实施方式的射频标记光谱仪，还包括射频放大器，所述射频放大器用于向所述声光偏转器提供所述驱动射频信号，其中所有的波长分量的驱动射频信号被同时施加到所述声光偏转器。

8、根据本公开的至少一个实施方式的射频标记光谱仪，还包括可编程任意函数发生器，所述可编程任意函数发生器用于提供与每个波长分量分别对应唯一的驱动射频信号。

9、根据本公开的至少一个实施方式的射频标记光谱仪，每个波长分量的光束经由所述声光偏转器分别分成一阶衍射光束和零阶透射光束，所有的波长分量的一阶衍射光束形成为组合一阶光束，所有的波长分量的零阶透射光束形成为组合零阶光束，所述组合一阶光束与所述组合零阶光束相互干涉，从而每个波长分量产生具有唯一拍频的拍频射频信号。

10、根据本公开的至少一个实施方式的射频标记光谱仪，所述组合零阶光束通过第一反射镜导向分束器，所述组合一阶光束通过第二反射镜与第三反射镜导向所述分束器，所述组合一阶光束与所述组合零阶光束相互干涉后形成第一干涉光束和第二干涉光束，其中所述第一干涉光束通过第四反射镜与第五反射镜导向聚焦透镜，并且所述第二干涉光束从所述分束器导向所述聚焦透镜，所述第一干涉光束和第二干涉光束通过聚焦透镜后聚焦至所述单通道光电探测器。

11、根据本公开的至少一个实施方式的射频标记光谱仪，所述第一干涉光束和第二干涉光束的射频分量达到所述单通道光电探测器时为同相的。

12、根据本公开的至少一个实施方式的射频标记光谱仪，根据每个波长分量来选择不同的驱动射频信号。

13、根据本公开的至少一个实施方式的射频标记光谱仪，所述单通道光电探测器为单通道雪崩光电探测器。

14、根据本公开的另一方面，提供了一种射频标记光谱测量方法，包括：通过动态色散器件接收包括两个以上波长分量的光束；通过驱动射频信号驱动所述动态色散器件，以便使得所述动态色散器件基于不同的驱动射频信号将每个波长分量的强度编码为不同拍频射频信号的振幅；通过单通道光电探测器检测所有的拍频射频信号相加形成的拍频射频信号之和；以及将所述拍频射频信号之和进行傅里叶变换以得到光谱、或者得到与光谱相关的频谱并且基于该频谱得到所述光谱。

15、根据本公开的至少一个实施方式的方法，还包括：对所述与频谱进行数量运算以去除色散效率的因素来求出所述光谱。

16、根据本公开的至少一个实施方式的方法，还包括：从所述动态色散器件输出光束中选择特定光束以使所选光束的每个波长有唯一的编码。

17、根据本公开的至少一个实施方式的方法，通过空间滤波器对所述动态色散器件的输出光束进行选择，以便选择特定光束以使所选光束的每个波长有唯一的编码。

18、根据本公开的至少一个实施方式的方法，还包括根据所述光束的波长分量来选择不同的驱动射频信号，从而仅测量感兴趣的波长分量。

19、根据本公开的至少一个实施方式的方法，还包括根据所述光束的波长分量来计算不同的驱动射频信号，以便将所计算的驱动射频信号提供至所述动态色散器件。

20、根据本公开的至少一个实施方式的方法，每个波长分量的光束经由所述动态色散器件分别分成一阶衍射光束和零阶透射光束，所有的波长分量的一阶衍射光束形成为组合一阶光束，所有的波长分量的零阶透射光束形成为组合零阶光束，所述组合一阶光束与所述组合零阶光束相互干涉，从而每个波长分量产生具有唯一拍频的拍频射频信号。

21、根据本公开的至少一个实施方式的方法，所述组合零阶光束通过第一反射镜导向分束器，所述组合一阶光束通过第二反射镜与第三反射镜导向所述分束器，所述组合一阶光束与所述组合零阶光束相互干涉后形成第一干涉光束和第二干涉光束，其中所述第一干涉光束通过第四反射镜与第五反射镜导向聚焦透镜，并且所述第二干涉光束从所述分束器导向所述聚焦透镜，所述第一干涉光束和第二干涉光束通过聚焦透镜后聚焦至所述单通道光电探测器。

22、根据本公开的至少一个实施方式的方法，所述第一干涉光束和第二干涉光束被控制为所述第一干涉光束和第二干涉光束的射频分量达到所述单通道光电探测器时为同相的。