CN115046987B - 一种时间门控拉曼光谱系统及其时间同步补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种时间门控拉曼光谱系统及其时间同步补偿方法。其中系统包括光源模块、分束模块、光电探测模块、传输模块、光学延迟模块、拉曼光谱采集模块和控制模块；分束模块将脉冲激光分为两束；光电探测模块将第一光束转换为触发电信号；传输模块将第二光束汇聚至待测样品，将拉曼散射光传输至光学延迟模块，经延时汇聚至拉曼光谱采集模块；拉曼光谱采集模块的光电探测器将拉曼散射光转换为数据电信号，数据采集卡根据触发电信号的触发开始采集数据电信号；控制模块进行数据处理。本发明的技术方案，解决了触发信号与拉曼脉冲信号的同步匹配问题，使得可以使用性能较低的脉冲激光适用于时间门控拉曼光谱系统，从而降低仪器生产成本。

Description

一种时间门控拉曼光谱系统及其时间同步补偿方法

技术领域

本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种时间门控拉曼光谱系统及其时间同步补偿方法。

背景技术

测量介质的分子组成及其化学环境在许多应用中非常重要，例如在农业、食品、石油、医疗诊断和制药行业。用于此类测量的一种先进技术是拉曼光谱，可用于测量各种类型的样品，例如固体、液体和气体，并不需要对样品进行特殊制备。相比较于红外吸收光谱，水本身的拉曼光谱信号非常低，拉曼技术也非常适合于水溶液中的样品测量。

传统拉曼光谱在一些其他潜在应用中未被广泛使用的一个主要原因是高荧光背景，这种激发光引起的高荧光光背景部分甚至完全掩盖了较弱的拉曼信号，因此拉曼信噪比通常会降低。由于拉曼散射和荧光发射这两种现象的时间响应不同，拉曼光子立即从样品中散射，而荧光光子通常以几纳秒或更长的时间常数发射。利用这个特性，时间门控技术可以有效抑制荧光，例如，时间门控可以通过克尔门、超快速门控增强ICCD、单光子雪崩二极管SPAD或其他各种类型光电倍增管（如PMT，SiPM，MPPC）来实现。

时间门控拉曼系统的一个关键技术就是实现探测器门控电路与拉曼脉冲信号的同步。一束激光被分为两束光，第一路光被触发探测器探测到并转换为电脉冲信号并最终传送到高速光电传感器模块上实现门控开关触发。另一束光照射到样品上产生拉曼散射，拉曼散射光通过各种光谱包括拉曼光谱仪最终被高速光电探测器检测到从而实现光谱的采集。这里的关键是要求触发信号要比拉曼脉冲信号早到达高速光电传感器。因为触发电路通常有10ns~50ns左右的内部时间延迟，从而导致触发信号晚于拉曼光脉冲到达，无法获取时间分辨信息。通常的解决方案是利用激光的重频性质，第1个光脉冲产生的触发信号用来接收第N个光脉冲产生的拉曼信号。但这对激光的重频抖动（jitter）幅度要求很高，如小于25ps，使得脉冲激光的成本非常高，不利于推广应用。

发明内容

本发明提供了一种时间门控拉曼光谱系统及其时间同步补偿方法，该系统解决了触发信号与拉曼脉冲信号的同步匹配问题，使得可以使用性能较低的脉冲激光适用于时间门控拉曼光谱系统，从而降低仪器生产成本。

根据本发明的一方面，提供了一种时间门控拉曼光谱系统，包括光源模块、分束模块、光电探测模块、传输模块、光学延迟模块、拉曼光谱采集模块和控制模块；

所述光源模块用于输出脉冲激光；

所述分束模块用于将所述脉冲激光分束为第一光束和第二光束；

所述光电探测模块用于将所述第一光束的光信号转换为触发电信号；

所述传输模块用于将所述第二光束汇聚至待测样品，并将所述待测样品输出的拉曼散射光传输至所述光学延迟模块，所述拉曼散射光经过所述光学延迟模块延时传输后汇聚至所述拉曼光谱采集模块；

所述拉曼光谱采集模块包括数据采集卡和光电探测器，所述光电探测模块和所述光电探测器均与所述数据采集卡连接，所述光电探测器用于将所述拉曼散射光转换为数据电信号，所述数据采集卡根据所述触发电信号的触发开始采集所述数据电信号；

所述控制模块与所述拉曼光谱采集模块连接，所述控制模块用于对所述数据电信号进行数据处理。

可选的，所述光学延迟模块包括光学耦合器和光纤，所述光学耦合器用于将所述拉曼散射光耦入或耦出所述光纤，所述光纤用于将所述拉曼散射光延迟预设时间。

可选的，所述光纤包括可延时光纤或不可延时光纤。

可选的，所述光电探测器为单像素光电探测器，所述单像素光电探测器包括单光子雪崩光电二极管、单像素硅光电倍增管或单像素微通道板；或者

所述光电探测器为多像素光电探测器，所述多像素光电探测器包括增强型电荷耦合器件、单光子雪崩光电二极管阵列或多像素微通道板。

可选的，所述光源模块包括电源、激光驱动器和激光头，所述电源用于为所述激光驱动器提供能源，所述激光头用于输出所述脉冲激光。

可选的，所述分束模块集成于所述光源模块内。

可选的，所述传输模块包括光纤拉曼探测器、显微探测器或共聚焦显微探测器。

可选的，所述拉曼光谱采集模块包括拉曼分光单元，所述拉曼分光单元用于将不同波长的拉曼散射光在空间分离。

可选的，所述光电探测器为单像素光电探测器，所述拉曼光谱采集模块还包括步进电机和直线导轨，所述步进电机用于带动所述单像素光电探测器沿所述直线导轨移动，以使所述单像素光电探测器接收各个波长的拉曼散射光。

根据本发明的另一方面，提供了一种时间门控拉曼光谱系统的时间同步补偿方法，利用上述的时间门控拉曼光谱系统执行，所述时间同步补偿方法包括：

光源模块输出脉冲激光；

分束模块将所述脉冲激光分束为第一光束和第二光束；

光电探测模块将所述第一光束的光信号转换为触发电信号；

传输模块将所述第二光束汇聚至待测样品，并将所述待测样品输出的拉曼散射光传输至光学延迟模块；

所述拉曼散射光经过所述光学延迟模块延时传输后汇聚至所述拉曼光谱采集模块；

所述拉曼光谱采集模块的光电探测器将所述拉曼散射光转换为数据电信号，数据采集卡根据所述触发电信号的触发开始采集所述数据电信号；

控制模块根据所述数据电信号进行数据处理。

本发明实施例的技术方案，通过光源模块输出脉冲激光；通过分束模块将脉冲激光分束为第一光束和第二光束，其中第二光束用来激发拉曼散射光；通过光电探测模块将第一光束的光信号转换为触发电信号；通过传输模块将第二光束汇聚至待测样品，并将待测样品输出的拉曼散射光传输至光学延迟模块，拉曼散射光经过光学延迟模块延时后汇聚至拉曼光谱采集模块，传输模块同时具有滤除多余的第二光束的功能，避免在光学延迟模块中激发干扰的拉曼光或荧光；通过拉曼光谱采集模块的光电探测器将拉曼散射光转换为数据电信号，数据采集卡根据触发电信号的触发开始采集数据电信号；通过控制模块对数据电信号进行数据处理，解决了触发信号与拉曼脉冲信号的同步匹配问题，使得可以使用性能较低的脉冲激光适用于时间门控拉曼光谱系统，从而降低仪器生产成本。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种拉曼光谱和荧光光谱示意图；

图2为时间门控拉曼光谱技术的工作原理示意图；

图3为本发明实施例提供的第一种时间门控拉曼光谱系统的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的第二种时间门控拉曼光谱系统的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的第三种时间门控拉曼光谱系统的结构示意图；

图6为发明实施例提供的第四种时间门控拉曼光谱系统的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种时间门控拉曼光谱系统的时间同步补偿方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

时间门控拉曼（Time-Gated Raman）也被称为时间分辨拉曼、时间相关拉曼或时间选通拉曼。图1为一种拉曼光谱和荧光光谱示意图，在典型的拉曼测量实验中，窄带连续波（CW）激光1用于激发样品，拉曼光谱仪读取样品发出的杂散光、荧光和拉曼光。少量入射光子（典型的散射概率约为10-8）因为拉曼散射发生了波长偏移。这种偏移可以用光谱仪以及二维电荷耦合器件（2D CCD）记录下来，如果荧光背景和杂散光不是主要来源，则可以获取信噪比很好的拉曼光谱，如图1中拉曼光谱2所示。传统拉曼光谱在一些其他潜在应用中未被广泛使用的一个主要原因是高荧光背景，如图1中荧光光谱3所示。这种激发光引起的高荧光光背景部分甚至完全掩盖了较弱的拉曼信号，因此拉曼信噪比通常会降低。这会导致测量时间较长（通常为几分钟或几十分钟），或根本测量不到拉曼光谱。拉曼光谱中荧光背景的降低或压制被视为将拉曼光谱的应用扩展到新的应用领域的重要一步。

在过去的几十年里，科学家和工程师们提出了一些方案来减少传统拉曼光谱中荧光背景的影响，例如通过选择更长的激光波长进行激发（荧光会降低）以及信号平均。这些技术可以解决某些材料中的荧光问题，但不能为荧光背景问题提供通用解决方案。这是因为拉曼信号与波长的四次方成正比降低，因此信噪比趋于保持低水平，尤其是高荧光样品。

幸运的是，拉曼散射和荧光发射这两种现象的时间响应是不同的。拉曼光子立即从样品中散射，而荧光光子通常以几纳秒或更长的时间常数发射。这为通过使用短激光脉冲而不是连续激光照射样品然后仅在激光脉冲期间收集散射光子来降低荧光水平提供了可能性。图2为时间门控拉曼光谱技术的工作原理示意图，时间门控技术会抑制荧光，这大致与时间门长度与样品的荧光寿命之比成正比。为了对荧光寿命在纳秒范围内的样品实现有意义的抑制（10倍或更多），时间门宽度以及激光脉冲宽度应该在亚纳秒范围内。例如，时间门控可以通过克尔门、超快速门控增强ICCD、单光子雪崩二极管SPAD或其他各种类型光电倍增管（如PMT，SiPM，MPPC）来实现。时间门控拉曼系统的一个关键技术就是实现探测器门控电路与拉曼脉冲信号的同步。时间门控拉曼光谱系统的基本工作原理为：一束激光被分为两束光，第一路光被触发探测器探测到并转换为电脉冲信号并最终传送到高速光电传感器模块上实现门控开关触发。另一束光照射到样品上产生拉曼散射，拉曼散射光通过各种光谱包括拉曼光谱仪最终被高速光电探测器检测到从而实现光谱的采集。

这里的关键是要求触发信号要比拉曼脉冲信号早到达高速光电传感器。因为触发电路通常有10ns~50ns左右的内部时间延迟，从而导致触发信号晚于拉曼光脉冲到达，无法获取时间分辨信息。通常的解决方案是利用激光的重频性质，第1个光脉冲产生的触发信号用来接收第N个光脉冲产生的拉曼信号。但这对激光的重频抖动（jitter）幅度要求很高，如小于25ps，使得脉冲激光的成本非常高。当使用重频抖动（jitter）幅度很大的脉冲激光搭建时间门控拉曼光谱系统时，必须让第1个激光脉冲产生的触发信号与第一个脉冲激光产生的拉曼脉冲激光匹配。换句话说，就是让拉曼脉冲相对于触发脉冲晚些到达高速光电探测器。所以为了推广应用，要使用成本较低的脉冲激光，必须解决时间同步匹配的问题。

为了解决上述问题，本发明实施例提供一种时间门控拉曼光谱系统。图3为本发明实施例提供的第一种时间门控拉曼光谱系统的结构示意图。参考图3，该时间门控拉曼光谱系统包括光源模块10、分束模块20、光电探测模块30、传输模块40、光学延迟模块50、拉曼光谱采集模块60和控制模块70。光源模块10用于输出脉冲激光a；分束模块20用于将脉冲激光a分束为第一光束a1和第二光束a2；光电探测模块30用于将第一光束a1的光信号转换为触发电信号；传输模块40用于将第二光束a2汇聚至待测样品80，并将待测样品80输出的拉曼散射光b传输至光学延迟模块50，拉曼散射光b经过光学延迟模块50延时传输后汇聚至拉曼光谱采集模块60；拉曼光谱采集模块60包括数据采集卡和光电探测器（图3中未示出），光电探测模块30和光电探测器均与数据采集卡连接，光电探测器用于将拉曼散射光b转换为数据电信号，数据采集卡根据触发电信号的触发开始采集数据电信号；控制模块70与拉曼光谱采集模块60连接，控制模块70用于对数据电信号进行数据处理。

其中，本实施例中，光源模块10输出的脉冲激光a的关键性能指标为：波长范围在300nm~1100nm之间，线宽在0.01cm-1~100cm-1之间，脉冲宽度在100fs~10ns之间，重复频率在100Hz~80MHz之间，平均功率范围1mW~1W，具体实施时可以根据实际情况选择光源模块10中激光器的类型，具体的，光源模块10可以包括电源、激光驱动器和激光头，电源用于为激光驱动器提供能源，激光头用于输出脉冲激光，具体实施时，电源、激光驱动器和激光头可以分立设置，也可以集成在一起，本发明实施例对此不作限定。分束模块20的作用是将脉冲激光a分为两束，具体实施时可以采用分束镜、光纤分束器等方式，其中一束相对较强的激光（第二光束a2，例如可以占脉冲激光a强度的90%），另一束激光（第一光束a1）被光电探测模块30转变为触发电信号，其中光电探测模块30的类型可以根据实际情况选择，触发电信号送到拉曼光谱采集模块60，触发数据采集卡（图3中未示出）采集拉曼光谱数据。传输模块40的作用是通过各种光学器件将第二光束a2聚焦到待测样品70，然后收集拉曼散射光且过滤掉激发光，将拉曼散射光传输到光学延迟模块50进行延迟后补偿触发电路内部的时间延迟，最后传输到拉曼光谱采集模块60中的针孔或狭缝内。拉曼光谱采集模块60包括光学元件形成的拉曼分光单元和包括探测器的探测单元，拉曼分光单元用于将拉曼光进行分光，探测单元可以包括单像素光电探测器，具体可以包括单光子雪崩光电二极管SPAD、单像素硅光电倍增管SiPM或单像素微通道板MCP，探测单元也可以包括多像素光电探测器，多像素光电探测器包括增强型电荷耦合器件ICCD、单光子雪崩光电二极管阵列或多像素微通道板，用于将光信号转换成电信号并传输给控制模块70进行数据处理，其中控制模块70可以包括控制电脑。另外在具体实施时，待测样品80可以放置在样品台上，样品台可以为多维手动或步进马达控制，本发明实施例对此不作限定。

本实施例的技术方案，通过光源模块输出脉冲激光；通过分束模块将脉冲激光分束为第一光束和第二光束，其中第二光束用来激发拉曼散射光；通过光电探测模块将第一光束的光信号转换为触发电信号；通过传输模块将第二光束汇聚至待测样品，并将待测样品输出的拉曼散射光传输至光学延迟模块，拉曼散射光经过光学延迟模块延时后汇聚至拉曼光谱采集模块，传输模块同时具有滤除多余的第二光束的功能，避免在光学延迟模块中激发干扰的拉曼光或荧光；通过拉曼光谱采集模块的光电探测器将拉曼散射光转换为数据电信号，数据采集卡根据触发电信号的触发开始采集数据电信号；通过控制模块对数据电信号进行数据处理，解决了触发信号与拉曼脉冲信号的同步匹配问题，使得可以使用性能较低的脉冲激光适用于时间门控拉曼光谱系统，从而降低仪器生产成本。

在上述技术方案的基础上，可选的，光学延迟模块包括光学耦合器和光纤，光学耦合器用于将拉曼散射光耦入或耦出光纤，光纤用于将拉曼散射光延迟预设时间。示例性的，图4为本发明实施例提供的第二种时间门控拉曼光谱系统的结构示意图。参考图4，光学延迟模块50包括第一光学耦合器件51、光纤52和第二光学耦合器件53，其中第一光学耦合器件51和第二光学耦合器件53可以包括至少一片透镜，光纤52可以根据实际需要选择单模或多模光纤，具体光纤52的长度、光谱工作范围可以根据实际需求选择，本发明实施例对此不作限定。可选的，光纤52包括可延时光纤或不可延时光纤。其中可延时光纤指的是延迟时间可调的光纤，不可延时光纤指的是延迟时间不可调的光纤，例如固定长度光纤。

本实施例的技术方案，将用于时间延迟的光纤放置于拉曼散射光的光路中，该光路中不含拉曼散射光（已经被传输模块滤掉），这样在避免光纤中额外生成光纤拉曼、光纤荧光的同时，解决了时间同步问题。

在本发明的某一实施例中，可选的，分束模块集成于光源模块内。

具体的，光源模块可以带有输出触发脉冲的功能，直接从光源模块输出第一光束和第二光束，即光源模块内集成分束功能，这样有利于减少时间门控拉曼光谱系统的模块数量，提高系统的集成性。

可选的，传输模块包括光纤拉曼探测器、显微探测器或共聚焦显微探测器。

本发明实施例提供的时间门控拉曼光谱系统可以适用于多种不同的待测样品，对于不同的样品，可以选择不同的传输模块结构，例如光纤结构、显微结构或者共聚焦结构等，具体实施时可以根据实际需要灵活选择。示例性的，图5为本发明实施例提供的第三种时间门控拉曼光谱系统的结构示意图，参考图5，传输模块40包括第一透镜41、二向色镜42和第二透镜43，其中二向色镜42用于反射激发光（第二光束），透射拉曼散射光，第一透镜41用于将激发光汇聚到待测样品80，第二透镜43用于将拉曼散射光汇聚到光学延迟模块50。

可选的，拉曼光谱采集模块包括拉曼分光单元，拉曼分光单元用于将不同波长的拉曼散射光在空间分离。

其中，拉曼分光单元的作用是将不同波长的拉曼光在空间上区分出来，具体实施时，可以通过透射式光栅、反射式光栅或棱镜等分光光学器件，结合成像元件（例如透镜）将拉曼光进行分光。

本发明某一实施例中，采用单像素SPAD作为探测器，对于不同位置的拉曼光，需要通过扫描的形式接收。可选的，拉曼光谱采集模块还包括步进电机和直线导轨，步进电机用于带动单像素光电探测器沿直线导轨移动，以使单像素光电探测器接收各个波长的拉曼散射光。

示例性的，图6为本发明实施例提供的第四种时间门控拉曼光谱系统的结构示意图。参考图6，拉曼光谱采集模块60包括拉曼分光单元61、步进电机62和直线导轨63，拉曼分光单元61包括狭缝611、第三透镜612、光栅613和第四透镜614，单像素光电探测器601设置在直线导轨63上，由步进电机62带动扫描，每一个位置采集一个波长对应的信号。通过连续扫描不同位置最终获取完整的拉曼光谱。

本发明的一个具体实施例中，光源模块10采用一款波长532nm，线宽0.01cm-1，脉冲宽度1ps，重复频率80MHz，平均功率400mW的激光作为拉曼激发光源。分束模块20利用一个1:9的分光镜，将脉冲激光分为两束光，其中一束光作拉曼激发，另一束由光电探测模块30转为触发电信号。该触发电信号用于触发数据采集卡（图6中未示出）进行信号采集。传输模块40主要是通过各种光学器件将拉曼散射光聚焦到待测样品80，然后收集拉曼散射光、过滤掉拉曼散射光后传输到光学延迟模块50。光学延迟模块50用于延迟拉曼散射光到拉曼光谱采集模块60的时间，最终到达拉曼光谱采集模块60。这里采用30m长的多模光纤，大致时间延迟约为100ns。这里采用普通的显微拉曼探测系统。样品台90用以承载待测样品80，使得待测样品80在激发光的聚焦位置处。这里采用的样品台90可以灵活调节待测样品80相对于激发光的聚焦位置。拉曼分光单元61主要是将不同波长的拉曼光在空间上给区分出来。这里使用标准的反射式光栅为主要部件的光谱仪。拉曼光探测单元主要由单像素SPAD601、步进电机62和直线导轨63组成。单像素SPAD可以安装到直线导轨上随着导轨移动，也可以是单像素SPAD和光纤耦合后，光纤的另一端固定在直线导轨上随着导轨移动。步进电机由控制模块70控制进而获取拉曼光谱。其中控制模块70可以采用台式机，用来控制各硬件系统，采集和分析数据。在其他实施例中，也可以利用多像素光电探测器（例如ICCD）探测拉曼散射光谱，此时可以去除步进电机和直线导轨结构，具体实施时可以根据实际情况设计系统结构。

综上，本发明实施例的目的是用较低的成本来解决时间门控拉曼光谱系统中的时间同步问题。通过光学延迟模块使拉曼散射光到达探测器的时间晚于触发脉冲到达采集卡的时间，从而解决触发信号与拉曼脉冲信号的同步匹配问题。从而可以使用性能较低的脉冲激光来适用于时间门控拉曼光谱系统，从而降低仪器生产成本。

图7为本发明实施例提供的一种时间门控拉曼光谱系统的时间同步补偿方法的流程示意图，本实施例提供的时间同步补偿方法利用上述实施例提供的任意一种时间门控拉曼光谱系统执行，参考图7，该时间同步补偿方法包括：

步骤S110、光源模块输出脉冲激光。

其中，本发明实施例中，光源模块输出的脉冲激光的关键性能指标为：波长范围在300nm~1100nm之间，线宽在0.01cm-1~100cm-1之间，脉冲宽度在100fs~10ns之间，重复频率在100Hz~80MHz之间，平均功率范围1mW~1W，具体实施时可以根据实际情况选择光源模块中激光器的类型，具体的，光源模块可以包括电源、激光驱动器和激光头，电源用于为激光驱动器提供能源，激光头用于输出脉冲激光，具体实施时，电源、激光驱动器和激光头可以分立设置，也可以集成在一起，本发明实施例对此不作限定。

步骤S120、分束模块将脉冲激光分束为第一光束和第二光束。

其中，分束模块的作用是将脉冲激光分为两束，具体实施时可以采用分束镜、光纤分束器等方式，分束模块可以独立设置，也可以于光源模块集成在一起，本发明实施例不作限定。第一光束用来形成触发电信号，第二光束传输至样品激发拉曼散射光。

步骤S130、光电探测模块将第一光束的光信号转换为触发电信号。

其中，光电探测模块的具体类型可以根据实际情况选择，触发电信号传输至拉曼光谱采集模块的数据采集卡用于触发数据采集。

步骤S140、传输模块将第二光束汇聚至待测样品，并将待测样品输出的拉曼散射光传输至光学延迟模块。

步骤S150、拉曼散射光经过光学延迟模块延时传输后汇聚至拉曼光谱采集模块。

其中，传输模块的作用是通过各种光学器件将第二光束聚焦到待测样品，然后收集拉曼散射光且过滤掉激发光，将拉曼散射光传输到光学延迟模块进行延迟后补偿触发电路内部的时间延迟，最后传输到拉曼光谱采集模块中的针孔或狭缝内。具体实施时，传输模块可以包括光纤拉曼探测器、显微探测器或共聚焦显微探测器，光学延迟模块包括光学耦合器和光纤。

步骤S160、拉曼光谱采集模块的光电探测器将拉曼散射光转换为数据电信号，数据采集卡根据触发电信号的触发开始采集数据电信号。

拉曼散射光经过时间延迟后，拉曼散射光到达光电探测器的时间晚于触发电信号到达数据采集卡的时间，因此当拉曼散射光到达光电探测器时，数据采集卡已经开始数据采集，达到时间同步补偿的效果。

步骤S170、控制模块根据数据电信号进行数据处理。

本实施例中，拉曼光谱采集模块包括光学元件形成的拉曼分光单元和包括探测器的探测单元，拉曼分光单元用于将拉曼光进行分光，探测单元包括光电探测器，用于将光信号转换成电信号并传输给控制模块进行数据处理。其中光电探测器可以为单像素光电探测器或多像素光电探测器。

本发明实施例的技术方案，通过光源模块输出脉冲激光；通过分束模块将脉冲激光分束为第一光束和第二光束，其中第二光束用来激发拉曼散射；通过光电探测模块将第一光束的光信号转换为触发电信号；通过传输模块将第二光束汇聚至待测样品，并将待测样品输出的拉曼散射光传输至光学延迟模块，拉曼散射光经过光学延迟模块延时后汇聚至拉曼光谱采集模块，传输模块同时具有滤除多余的第二光束的功能，避免在光学延迟模块中激发干扰的拉曼光或荧光；通过拉曼光谱采集模块的光电探测器将拉曼散射光转换为数据电信号，数据采集卡根据触发电信号的触发开始采集数据电信号；通过控制模块对数据电信号进行数据处理，解决了触发信号与拉曼脉冲信号的同步匹配问题，使得可以使用性能较低的脉冲激光适用于时间门控拉曼光谱系统，从而降低仪器生产成本。

上述具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明保护范围之内。

Claims (9)

1.一种时间门控拉曼光谱系统，其特征在于，包括光源模块、分束模块、光电探测模块、传输模块、光学延迟模块、拉曼光谱采集模块和控制模块；

所述光源模块用于输出脉冲激光；

所述分束模块用于将所述脉冲激光分束为第一光束和第二光束；

所述光电探测模块用于将所述第一光束的光信号转换为触发电信号；

所述传输模块用于将所述第二光束汇聚至待测样品，同时滤除多余的第二光束，并将所述待测样品输出的拉曼散射光传输至所述光学延迟模块，所述拉曼散射光经过所述光学延迟模块延时传输后汇聚至所述拉曼光谱采集模块；

所述拉曼光谱采集模块包括数据采集卡和光电探测器，所述光电探测模块和所述光电探测器均与所述数据采集卡连接，所述光电探测器用于将所述拉曼散射光转换为数据电信号，所述数据采集卡根据所述触发电信号的触发开始采集所述数据电信号；

所述控制模块与所述拉曼光谱采集模块连接，所述控制模块用于对所述数据电信号进行数据处理；

所述光学延迟模块包括光学耦合器和光纤，所述光学耦合器用于将所述拉曼散射光耦入或耦出所述光纤，所述光纤用于将所述拉曼散射光延迟预设时间。

2.根据权利要求1所述的时间门控拉曼光谱系统，其特征在于，所述光纤包括可延时光纤或不可延时光纤；其中，所述可延时光纤是指延迟时间可调的光纤，不可延时光纤是指延迟时间不可调的光纤。

3.根据权利要求1所述的时间门控拉曼光谱系统，其特征在于，所述光电探测器为单像素光电探测器，所述单像素光电探测器包括单光子雪崩光电二极管、单像素硅光电倍增管或单像素微通道板；或者

所述光电探测器为多像素光电探测器，所述多像素光电探测器包括增强型电荷耦合器件、单光子雪崩光电二极管阵列或多像素微通道板。

4.根据权利要求1所述的时间门控拉曼光谱系统，其特征在于，所述光源模块包括电源、激光驱动器和激光头，所述电源用于为所述激光驱动器提供能源，所述激光头用于输出所述脉冲激光。

5.根据权利要求1所述的时间门控拉曼光谱系统，其特征在于，所述分束模块集成于所述光源模块内。

6.根据权利要求1所述的时间门控拉曼光谱系统，其特征在于，所述传输模块包括光纤拉曼探测器、显微探测器或共聚焦显微探测器。

7.根据权利要求1所述的时间门控拉曼光谱系统，其特征在于，所述拉曼光谱采集模块包括拉曼分光单元，所述拉曼分光单元用于将不同波长的拉曼散射光在空间分离。

8.根据权利要求7所述的时间门控拉曼光谱系统，其特征在于，所述光电探测器为单像素光电探测器，所述拉曼光谱采集模块还包括步进电机和直线导轨，所述步进电机用于带动所述单像素光电探测器沿所述直线导轨移动，以使所述单像素光电探测器接收各个波长的拉曼散射光。

9.一种时间门控拉曼光谱系统的时间同步补偿方法，其特征在于，利用权利要求1~8任一所述的时间门控拉曼光谱系统执行，所述时间同步补偿方法包括：

光源模块输出脉冲激光；

分束模块将所述脉冲激光分束为第一光束和第二光束；

光电探测模块将所述第一光束的光信号转换为触发电信号；

传输模块将所述第二光束汇聚至待测样品，并将所述待测样品输出的拉曼散射光传输至光学延迟模块；

所述拉曼散射光经过所述光学延迟模块延时传输后汇聚至所述拉曼光谱采集模块；

所述拉曼光谱采集模块的光电探测器将所述拉曼散射光转换为数据电信号，数据采集卡根据所述触发电信号的触发开始采集所述数据电信号；

控制模块根据所述数据电信号进行数据处理。

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