时间分辨光谱快速测量系统及方法与流程

本发明涉及时间分辨光谱测量领域，特别是涉及一种时间分辨光谱快速测量系统及方法。

背景技术：

1、光谱学是通过物质与电磁波之间的相互作用来研究其性质的一种方法，它既是一种通用的基础科学研究方法，也是一种实用的应用工具，广泛应用于环境检测、工业检验、临床医学、对地探测等诸多领域。为了研究物质的动态过程，采用脉冲激光器，可以获得时间分辨光谱。时间分辨光谱在许多应用中非常重要，例如，时间分辨荧光光谱，可以计算物质的荧光寿命；时间分辨拉曼光谱是一种抑制荧光的有效技术。

2、实现时间分辨光谱的技术主要有门控（gating）和时间相关单光子计数（time-correlated single photon counting, tcspc）。门控技术的实现方式有：光学形式，如克尔盒（kerrcell），普克尔斯盒（pockels cells）等光学开关；电学形式，通过向探测器输入门控电信号实现选通信号光。tcspc技术测量光子探测事件和激光同步脉冲之间的时间差，从连续的激发-收集周期中建立光子到达时间的直方图。

3、tcspc技术的原理是：在激发脉冲后，某个时间检测到单个光子的概率与此时的信号光强度成正比。如果一个周期有两个及以上光子，探测器只探测第一个光子，而忽视其他光子，这就是tcspc技术的堆积（pile-up）问题，最终造成直方图失真。所以需要降低入射光的强度，保证失真程度在可容忍范围内。

4、门控技术中探测器时间门控窗口的宽度是由硬件或者软件设定的固定值，所以需要多次测量不同的延时窗口，才能获得完整的光子时域分布。目前，不同的延时窗口采用分时测量方式，即探测器单次只测量单个固定延时窗口的光谱，造成光谱采集时间长，测量误差大等问题。

5、时间分辨光谱的采集速度和测量误差是重要的参数指标。如图1所示，在基于门控技术的时间分辨光谱测量系统中，延时器将探测器固定宽度的时间门控窗口移动至不同延时窗口。为了获得完整的时间分辨光谱，需要多次测量不同的延时窗口，这降低了时间分辨光谱的采集速度，无法快速获得光谱；而且每个延时窗口是在不同的时间测量，增大测量误差。

技术实现思路

1、为了解决基于门控技术的时间分辨光谱采集速度慢，测量误差大的问题，本发明提供了一种时间分辨光谱快速测量系统及方法，该系统通过设置多路延时模块，能够并行测量多个延时窗口的光谱，从而提高了时间分辨光谱的测量速度，同时降低了测量误差。

2、本发明的第一个目的在于提供一种时间分辨光谱快速测量系统。

3、本发明的第二个目的在于提供一种时间分辨光谱快速测量方法。

4、本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

5、一种时间分辨光谱快速测量系统，所述系统包括：

6、脉冲激光模块，用于发射脉冲激光；

7、样品台模块，用于将所述脉冲激光聚焦于样品，然后收集样品产生的信号光，并过滤掉激发光；

8、多路延时模块，用于将样品产生的信号光分束，形成多个光路；在每个光路中添加不同光程，以延长样品产生的信号光到达探测器模块的时间；通过使每个光路中的信号光到达探测器模块的时间不同，以实现多路延时；

9、光谱仪模块，用于将每个光路中不同波长的信号光在空间上区分出来；

10、探测器模块，用于并行探测在空间上区分出来的多个光路的信号光；

11、控制电脑模块，用于对探测出的多个光路的信号光进行采集、存储和处理，以获得时间分辨光谱；所述控制电脑模块通过数据线与所述探测器模块连接。

12、进一步的，所述脉冲激光的性能指标为：

13、波长范围为200~3000nm，线宽范围为0.001~10000cm-1，脉冲宽度范围为10fs~100ns，重复频率范围为0.1hz~1ghz，平均功率范围为1µw~100w。

14、进一步的，在光路中添加光程，包括但不限于采用光纤延时或自由空间光延迟；

15、信号光分束的方式，包括但不限于采用光纤分束器或波分复用器。

16、进一步的，样品产生的信号光到达探测器的时间延长范围为1ps~1ms。

17、进一步的，若所述脉冲激光带有输出同步电信号功能，则同步电信号直接触发探测器；否则，将激光束分成两束，其中一束激光经光电探测器生成同步电信号用于时间同步，另一束用作样品激发。

18、本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

19、一种时间分辨光谱快速测量方法，所述方法包括：

20、将脉冲激光模块发射的脉冲激光聚焦到样品台模块上；

21、根据所述脉冲激光，通过样品台模块收集信号光，并过滤掉激发光；

22、通过多路延时模块将样品台模块产生的信号光分束，形成多个光路；在每个光路中添加不同光程，以延长样品产生的信号光到达探测器模块的时间；通过使每个光路中的信号光到达探测器模块的时间不同，以实现多路延时；

23、通过光谱仪模块将每个光路中不同波长的信号光在空间上区分出来；

24、被区分出来的多个光路的信号，被探测器模块中的像素阵列并行探测；

25、通过控制电脑模块对探测出的多个光路的信号光进行采集、存储和处理，以获得时间分辨光谱。

26、进一步的，所述脉冲激光的性能指标为：

27、波长范围为200~3000nm，线宽范围为0.001~10000cm-1，脉冲宽度范围为10fs~100ns，重复频率范围为0.1hz~1ghz，平均功率范围为1µw~100w。

28、进一步的，多路延时模块连接光谱仪模块中的狭缝，每一个线路对应狭缝的不同位置，各线路的间隔范围为1µm~50mm；

29、经过狭缝的所有路信号光经同一个光栅将每一路的不同波长的信号光在空间上区分出来。

30、进一步的，每一个线路的信号光经光栅产生的不同波长的信号光被探测器模块的同一水平/垂直位置的像素阵列所探测，且各线路在探测器模块上的间隔距离与各线路在狭缝的间隔距离成正比。

31、进一步的，样品产生的信号光到达探测器的时间延长范围为1ps~1ms。

32、本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

33、本发明提供的时间分辨光谱快速测量系统及方法，该系统通过设置多路延时模块，能够并行测量多个延时窗口的光谱，提高了时间分辨光谱测量速度，同时降低了测量误差。而且该系统的测试过程简化，为后续工作奠定了良好的基础，可大规模推广应用。

技术特征：

1.一种时间分辨光谱快速测量系统，其特征在于，所述系统包括：

2.根据权利要求1所述的时间分辨光谱快速测量系统，其特征在于，所述脉冲激光的性能指标为：

3.根据权利要求1所述的时间分辨光谱快速测量系统，其特征在于，在光路中添加光程，包括但不限于采用光纤延时或自由空间光延迟；

4.根据权利要求1所述的时间分辨光谱快速测量系统，其特征在于，样品产生的信号光到达探测器的时间延长范围为1ps~1ms。

5.根据权利要求1~4任一项所述的时间分辨光谱快速测量系统，其特征在于，若所述脉冲激光带有输出同步电信号功能，则同步电信号直接触发探测器；否则，将激光束分成两束，其中一束激光经光电探测器生成同步电信号用于时间同步，另一束用作样品激发。

6.一种时间分辨光谱快速测量方法，其特征在于，所述方法包括：

7.根据权利要求6所述的时间分辨光谱快速测量方法，其特征在于，所述脉冲激光的性能指标为：

8.根据权利要求6所述的时间分辨光谱快速测量方法，其特征在于，多路延时模块连接光谱仪模块中的狭缝，每一个线路对应狭缝的不同位置，各线路的间隔范围为1µm~50mm；

9.根据权利要求8所述的时间分辨光谱快速测量方法，其特征在于，每一个线路的信号光经光栅产生的不同波长的信号光被探测器模块的同一水平/垂直位置的像素阵列所探测，且各线路在探测器模块上的间隔距离与各线路在狭缝的间隔距离成正比。

10.根据权利要求6~9任一项所述的时间分辨光谱快速测量方法，其特征在于，样品产生的信号光到达探测器的时间延长范围为1ps~1ms。

技术总结
本发明公开了一种时间分辨光谱快速测量系统及方法，所述系统包括：脉冲激光模块、样品台模块、控制电脑模块、探测器模块、光谱仪模块和多路延时模块，其中多路延时模块，用于将样品台模块中的样品产生的信号光分束，形成多个光路；在每个光路中添加不同光程，以延长样品产生的信号光到达探测器的时间；通过使每个光路中的信号光到达探测器的时间不同，以实现多路延时。本发明通过在系统中设置多路延时模块，能够并行测量多个延时窗口的光谱，提高了时间分辨光谱的测量速度，同时降低了测量误差。

技术研发人员：王振友,王碧霄,郭梦瑶,方广有
受保护的技术使用者：广东大湾区空天信息研究院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/12