CN109884657A - 一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统 - Google Patents
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Abstract
一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统，包括有依次连接的光源（1）、时间拉伸模块（2）、空间映射模块（3）、放大器（4）、分束器（5），分束器（5）的输出端为两路输出，分为上支路（6）和下支路（7），分束器（5）的输出上支路连接有光谱分析仪（8），分束器（5）的输出下支路连接有光电探测器（9）和数据采集处理器（10）。该系统应用光学时间拉伸技术完成微粒高速线扫描，突破常规微粒测速方法的速度限制和通量限制，有效提高了微粒测速的速度上限和检测通量。
Description
技术领域
本发明属于光电技术领域，涉及一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统。
背景技术
微粒流速检测在实际生活、生产和科研中有重要应用，例如，疾病检测、内燃机燃料喷射控制、微粒电泳迁移率测量，实现针对高速高通量微粒测速是一个关键问题和长期存在的挑战。
目前，针对微粒测速，常用技术包括激光多普勒测速仪（Laser DopplerVelocimetry）和粒子图像测速仪（Particle Image Velocimetry）。其中激光多普勒测速仪是利用光打到运动微粒上时发生的多普勒频移来完成微粒速度测量，目前已应用到生物医学领域，用于疾病检测（M. Stucker, V. Baier, T. Reuther, K. Hoffmann, K. Kellam,and P. Altmeyer, Capillary blood cell velocity in human skin capillarieslocated perpendicularly to the skin surface: measured by a new laser Doppleranemometer, Microvascular Research,52:188-192（1996）.）。然而其对于微粒速度检测范围有限，当流速很高时，需要提高激光功率，这会造成检测单元损坏，另外由于信号频率高而使信号处理困难。
粒子图像测速仪是用光学成像的方法获得微粒瞬时速度。其用片状脉冲激光照射检测区域，内置的CCD相机持续曝光并捕获微粒的位置。粒子图像测速仪计算相邻两次曝光捕获的微粒位置变化得到位移，再除以CCD相机曝光时间间隔得到微粒速度（R. J.Adrian, Twenty years of particle image velocimetry, Experiments in Fluids,39:159-169（2005）.）。然而常规CCD相机的数据读出方式，每个单元传感器收集光子并转化为电子直到整个传感器阵列积累的电荷被读出，限制了整个系统的数据传输速度，另外受到CCD相机快门速度限制，粒子图像测速仪无法适用于高速高通量微粒检测，而使用高速CCD相机会大大增加硬件成本。
显然，能实现针对高速高通量微粒测速具有重要意义和应用前景。
发明内容
为了克服上述技术存在无法完成针对高速高通量微粒测速的缺陷, 本发明提出一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统，包括有依次连接的光源、时间拉伸模块、空间映射模块、放大器、分束器，分束器的输出端为两路输出，分为上支路和下支路，分束器的输出上支路连接有光谱分析仪，分束器的输出下支路连接有光电探测器和数据采集处理器；其特征在于：
所述光源，用于产生光谱宽的脉宽窄的光脉冲；
所述时间拉伸模块，用于将光脉冲的光谱信息一一映射至其时域波形，实现光脉冲的时间-波长映射；
所述空间映射模块，用于将经过时间-波长映射的光脉冲准直输出到空间，同时对光脉冲进行空间色散，光脉冲不同波长分量的出射角度不同，形成线形光束，并将流经检测单元的微粒空间信息编码到其光谱上，实现光脉冲的空间-波长映射，而后将空间中的光脉冲重新耦合进入光纤；
所述放大器，用于放大光脉冲的功率；
所述分束器，用于将光脉冲分路为上支路和下支路；
所述光谱分析仪，用于观察光脉冲的光谱；
所述光电探测器，用于将光脉冲的光信号转化为电信号；
所述数据采集处理器，用于电信号的采样量化、完成数据处理和计算微粒速度。
进一步地，所述时间拉伸模块包括单模色散补偿光纤、多模光纤、啁啾光纤布拉格光栅中的其中一种。
进一步地，所述空间映射模块包括透射式空间映射模块和反射式空间映射模块中的其中一种。
进一步地，所述透射式空间映射模块包括光纤准直器、第一空间色散模块、第一显微物镜、检测单元、第二显微物镜、第二空间色散模块和空间光-光纤耦合器，所述光纤准直器用于实现光脉冲准直输出到空间，所述第一空间色散模块用于实现光脉冲空间色散，所述第一显微物镜位于所述第一空间色散模块和所述检测单元之间，其视野能够覆盖所述检测单元的微通道，所述检测单元用于装载待测微粒并能够控制微粒运动到检测位置，微粒流经线形光束照射区域时，其空间信息编码到线形光束的光谱上，完成线扫描，实现光脉冲的空间-波长映射，所述第二显微物镜位于所述第一显微物镜背离所述检测单元的一侧，能够将背向线形光束收集到所述第二空间色散模块，所述第二空间色散模块用于将线形光束逆色散为点状光脉冲，所述空间光-光纤耦合器，用于实现将光脉冲耦合进入光纤。
进一步地，所述反射式空间映射模块包括光纤环形器、光纤准直器、第一空间色散模块、第一显微物镜、检测单元、第二显微物镜和反射镜，所述光纤环形器用于将来自所述时间拉伸模块的光脉冲传至所述光纤准直器，同时将来自所述光纤准直器的光脉冲传至所述放大器，所述光纤准直器用于实现光脉冲准直输出到空间，同时将反射的光脉冲耦合进入光纤，所述第一空间色散模块用于实现光脉冲空间色散，所述第一显微物镜位于所述第一空间色散模块和所述检测单元之间，其视野能够覆盖所述检测单元的微通道，所述检测单元用于装载待测微粒并能够控制微粒运动到检测位置，微粒流经线形光束照射区域时，其空间信息编码到线形光束的光谱上，完成线扫描，实现光脉冲的空间-波长映射，所述第二显微物镜位于所述第一显微物镜背离所述检测单元的一侧，能够将背向线形光束收集到所述反射镜，所述反射镜用于反射线形光束，使之沿原光路返回。
进一步地，所述检测单元包括微流控芯片和毛细管中的其中一种。
进一步地，所述第一空间色散模块包括棱镜、刻线衍射光栅、虚像相位阵列中的其中一种。
进一步地，所述第二空间色散模块包括棱镜、刻线衍射光栅、虚像相位阵列中的其中一种。
进一步地，所述放大器包括掺铒光纤放大器、分布式拉曼放大器、半导体光放大器中的至少一种。
进一步地，所述数据采集处理器包括实时示波器、数据采集卡、现场可编程门阵列中的其中一种。
本发明的有益效果是，本发明将光学时间拉伸技术应用到微粒速度检测，实现了微粒高速线扫描，避免了应用电阻抗技术或CCD相机检测微粒时所存在速度检测上限值低和通量检测低的缺陷，有效地提高了微粒速度检测的上限值，能实时输出当前流经微粒的速度，并提高了微粒的检测通量。
附图说明
图1为一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统的组成框图；
图2为时间拉伸模块、透射式空间映射模块、放大器的实施原理图；
图3为数据采集处理器记录的未经微粒空间信息编码的光脉冲的时域波形；
图4为数据采集处理器记录的经微粒空间信息编码的光脉冲的时域波形；
图5为时间拉伸模块、反射式空间映射模块、放大器的实施原理图；
附图标记说明：1. 光源，2. 时间拉伸模块，3.空间映射模块，4. 放大器，5.分束器，6.上支路，7. 下支路，8. 光谱分析仪，9. 光电探测器，10. 数据采集处理器，11.单模色散补偿光纤，12. 光纤准直器，13. 第一刻线衍射光栅，14. 第一显微物镜，15. 微流控芯片，16. 第二显微物镜，17. 第二刻线衍射光栅，18. 空间光-光纤耦合器，19. 掺铒光纤放大器，20. 光纤环形器，21. 反射镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
本发明是一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统，如图1所示，包括有依次连接的光源1、时间拉伸模块2、空间映射模块3、放大器4、分束器5，分束器的输出端为两路输出，分为上支路6和下支路7，分束器的输出上支路连接有光谱分析仪8，分束器的输出下支路连接有光电探测器9和数据采集处理器10。
本发明一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统的工作原理：光源1输出光谱宽的脉宽窄的光脉冲。光脉冲经过时间拉伸模块2后被展宽，光谱信息一一映射至其时域波形，实现光脉冲的时间-波长映射，又称时间拉伸，拉伸倍数为D,其中D为时间拉伸模块2的色散量。经时间-波长映射的光脉冲由空间映射模块3输出到空间，并将微粒空间信息编码到光脉冲的光谱上，实现光脉冲的空间-波长映射，而后将光脉冲耦合进入光纤。放大器4接收来自空间映射模块3的光脉冲，放大其功率，以提升信噪比。分束器5将功率放大后的光脉冲分别分路给上支路6和下支路7。上支路6连接的光谱分析仪8用于观察接收的光脉冲的光谱。下支路7顺序连接的光电探测器9将光脉冲的光信号转化为电信号，数据采集处理器10对电信号进行采样量化、完成数据处理和计算微粒速度。
实施例1
本实施例采用的光源1输出的光脉冲的中心波长1560nm、带宽15nm、脉冲重复频率25MHz。
如图2所示，时间拉伸模块2包括色散量为1200ps/nm的单模色散补偿光纤11，设置于光源1的出光测，用于将光脉冲的光谱信息一一映射至其时域波形，完成光脉冲的时间-波长映射。本实施例采用的空间映射模块3包括透射式空间映射模块，由光纤准直器12输出到空间，以80°的入射角入射到刻线密度为1200lines/mm的第一刻线衍射光栅13，根据光栅公式
其中θ1是光脉冲的入射角，θ2是光脉冲的出射角，k是衍射级，λ是光脉冲的波长，d是刻线密度，在第一衍射级，光脉冲不同波长分量的出射角度不同（61.4°到63.7°），发生空间色散，形成线形光束。线形光束经放大倍率40、数值孔径0.6的第一显微物镜14聚焦到微流控芯片15上，当微粒流经线形光束照射区域时，微粒的空间信息编码到线形光束的光谱上，完成光脉冲的空间-波长映射，放大倍率40、数值孔径0.6的第二显微物镜16将背向线形光束收集到刻线密度为1200lines/mm的第二刻线衍射光栅17，并由第二刻线衍射光栅17重新将线形光束以第一刻线衍射光栅13的出射角逆色散为点状光脉冲，空间光-光纤耦合器18而后将空间中的光脉冲耦合进入光纤。掺铒光纤放大器19，接收来自空间映射模块3的光脉冲，将其功率放大至18dbm，以提升信噪比。
如图1所示，分束器5接收来自放大器4的光脉冲以分光比为90：10分别分路至上支路6和下支路7。上支路6连接的光谱分析仪8用于观察光脉冲的光谱。下支路7顺序连接的光电探测器9将光脉冲的光信号转化为电信号，数据采集处理器10包括采样率为40GS/s的实时示波器对电信号进行采样量化、完成数据处理。
数据采集处理器10完成数据处理和计算微粒速度的过程描述如下：如图3、图4所示，未经微粒空间信息编码的光脉冲的时域波形和经微粒空间信息编码的光脉冲的时域波形有明显区别，图4所示的波形中的凹陷就是流经微流控芯片15的微粒的空间信息，微粒自上而下流动就完成了基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统对微粒的线扫描。线扫描的速率为光源1的脉冲重复频率。显然，微粒速度越小，其流经线扫描区域时间会越长，最终数据采集处理器10记录的经微粒空间信息编码的时域波形的数量会越多。反之，当微粒速度较大，数据采集处理器10记录的经空间编码的波形的数量就会少，因此可以通过
计算得到微粒速度，其中，v是微粒速度，L是经空间编码的光脉冲的时域波形的凹陷的宽度，n是光脉冲的时域波形的单位长度对应的实际空间距离，其是由测量标准直径的微粒分析得到，N是数据采集处理器10记录的经空间编码的时域波形的数量，f是光源1的脉冲重复频率。由于光源1的脉冲重复频率为25MHz，即系统的线扫描速率高达25MHz，因此可以实现针对高速高通量的微粒测速。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于本实施例采用的空间映射模块3包括反射式空间映射模块。
如图5所示，时间拉伸模块2包括色散量为1200ps/nm的单模色散补偿光纤11，设置于光源1的出光测，用于将光脉冲的光谱信息一一映射至其时域波形，完成光脉冲的时间-波长映射。本实施例采用的空间映射模块3包括反射式空间映射模块，由光纤环形器20将来自单模色散补偿光纤11的光脉冲传至光纤准直器12，由光纤准直器12输出到空间，以80°的入射角入射到刻线密度为1200lines/mm的第一刻线衍射光栅13，根据光栅公式（1），在第一衍射级，光脉冲不同波长分量的出射角度不同（61.4°到63.7°），发生空间色散，形成线形光束。线形光束经放大倍率40、数值孔径0.6的第一显微物镜14聚焦到微流控芯片15上，当微粒流经线形光束照射区域时，微粒的空间信息编码到线形光束的光谱上，完成光脉冲的空间-波长映射，放大倍率40、数值孔径0.6的第二显微物镜16将背向线形光束收集到反射镜21，反射镜21用于反射线形光束，使之沿原光路返回，光脉冲经第二显微物镜16、微流控芯片15、第一显微物镜14、第一刻线衍射光栅13后由光纤准直器12耦合进入光纤，并由光纤环形器20将光脉冲传至掺铒光纤放大器19。
由具体实施例可知，本发明提出了一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统，应用光学时间拉伸技术完成微粒高速线扫描，它具有提高微粒速度检测的上限值，能实时输出当前流经微粒的速度，并提高微粒检测通量的优点，具有广阔的应用前景。
Claims (10)
1.一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统，包括有依次连接的光源（1）、时间拉伸模块（2）、空间映射模块（3）、放大器（4）、分束器（5），分束器（5）的输出端为两路输出，分为上支路（6）和下支路（7），分束器（5）的输出上支路连接有光谱分析仪（8），分束器（5）的输出下支路连接有光电探测器（9）和数据采集处理器（10）；其特征在于：
所述光源（1），用于产生光谱宽的脉宽窄的光脉冲；
所述时间拉伸模块（2），用于将光脉冲的光谱信息一一映射至其时域波形，实现光脉冲的时间-波长映射；
所述空间映射模块（3），用于将经过时间-波长映射的光脉冲准直输出到空间，同时对光脉冲进行空间色散，光脉冲不同波长分量的出射角度不同，形成线形光束，并将流经检测单元的微粒空间信息编码到其光谱上，实现光脉冲的空间-波长映射，而后将空间中的光脉冲重新耦合进入光纤；
所述放大器（4），用于放大光脉冲的功率；
所述分束器（5），用于将光脉冲分路为上支路（6）和下支路（7）；
所述光谱分析仪（8），用于观察光脉冲的光谱；
所述光电探测器（9），用于将光脉冲的光信号转化为电信号；
所述数据采集处理器（10），用于电信号的采样量化、完成数据处理和计算微粒速度。
2.根据权利要求1所述的一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统，其特征在于，所述时间拉伸模块（2）包括单模色散补偿光纤、多模光纤、啁啾光纤布拉格光栅中的其中一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统，其特征在于，所述空间映射模块（3）包括透射式空间映射模块和反射式空间映射模块中的其中一种。
4.根据权利要求3所述的一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统，其特征在于，所述透射式空间映射模块包括光纤准直器包括光纤准直器、第一空间色散模块、第一显微物镜、检测单元、第二显微物镜、第二空间色散模块和空间光-光纤耦合器，所述光纤准直器用于实现光脉冲准直输出到空间，所述第一空间色散模块用于实现光脉冲空间色散，所述第一显微物镜位于所述第一空间色散模块和所述检测单元之间，其视野能够覆盖所述检测单元的微通道，所述检测单元用于装载待测微粒并能够控制微粒运动到检测位置，微粒流经线形光束照射区域时，将其空间信息编码到线形光束的光谱上，实现光脉冲的空间-波长映射，所述第二显微物镜位于所述第一显微物镜背离所述检测单元的一侧，能够将背向线形光束收集到所述第二空间色散模块，所述第二空间色散模块用于将线形光束逆色散为点状光脉冲，所述空间光-光纤耦合器，用于实现将光脉冲耦合进入光纤。
5.根据权利要求3所述的一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统，其特征在于，所述反射式空间映射模块包括光纤环形器、光纤准直器、第一空间色散模块、第一显微物镜、检测单元、第二显微物镜和反射镜，所述光纤环形器用于将来自所述时间拉伸模块（2）的光脉冲传至所述光纤准直器，同时将来自所述光纤准直器的光脉冲传至所述放大器（4），所述光纤准直器用于实现光脉冲准直输出到空间，同时将反射的光脉冲耦合进入光纤，所述第一空间色散模块用于实现光脉冲空间色散，所述第一显微物镜位于所述第一空间色散模块和所述检测单元之间，其视野能够覆盖所述检测单元的微通道，所述检测单元用于装载待测微粒并能够控制微粒运动到检测位置，微粒流经线形光束照射区域时，其空间信息编码到线形光束的光谱上，完成线扫描，实现光脉冲的空间-波长映射，所述第二显微物镜位于所述第一显微物镜背离所述检测单元的一侧，能够将背向线形光束收集到所述反射镜，所述反射镜用于反射线形光束，使之沿原光路返回。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统，其特征在于，所述检测单元包括微流控芯片和毛细管中的其中一种。
7.根据权利要求4或5所述的一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统，其特征在于，所述第一空间色散模块包括棱镜、刻线衍射光栅、虚像相位阵列中的其中一种。
8.根据权利要求4所述的一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统，其特征在于，所述第二空间色散模块包括棱镜、刻线衍射光栅、虚像相位阵列中的其中一种。
9.根据权利要求1所述的一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统，其特征在于，所述放大器（4）包括掺铒光纤放大器、分布式拉曼放大器、半导体光放大器中的至少一种。
10.根据权利要求1所述的一种基于光学时间拉伸的高速高通量微粒测速系统，其特征在于，所述数据采集处理器（10）包括实时示波器、数据采集卡、现场可编程门阵列中的其中一种。
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