CN114460061A - 一种时间门控拉曼光谱系统及拉曼光谱校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种时间门控拉曼光谱系统及拉曼光谱校正方法。其中系统包括光源模块、分束模块、光电探测模块、传输模块、拉曼光谱采集模块和控制模块；光源模块输出脉冲激光；分束模块将脉冲激光分束为第一光束和第二光束；光电探测模块将第一光束的光信号转换为第一电信号；传输模块将第二光束汇聚至待测样品，将拉曼散射光汇聚至拉曼光谱采集模块；拉曼光谱采集模块将拉曼散射光转换为第二电信号；控制模块根据第一电信号确定脉冲激光的功率变化，根据功率变化校正第二电信号。本发明实施例的技术方案，可以根据光源模块出射的脉冲激光的功率变化对拉曼光谱进行校正，无需设置昂贵的、高性能的功率稳定的激光器，有利于降低系统成本。

Description

一种时间门控拉曼光谱系统及拉曼光谱校正方法

技术领域

本发明实施例涉及光电技术，尤其涉及一种时间门控拉曼光谱系统及拉曼光谱校正方法。

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。

在时间门控拉曼光谱系统中，相比较于ICCD相机、SPAD阵列等探测器，单像素SPAD探测器具有优秀的时间分辨率、高增益特性以及不错的空间分辨率。但因为是单像素，需要通过扫描来获取整个拉曼光谱。在扫描过程中，激光功率的浮动将影响所采集的信号。为了避免激光功率浮动，需要使用昂贵的、高性能的功率稳定的激光器，导致时间门控拉曼光谱系统成本较高，不利于推广应用。

发明内容

本发明实施例提供一种时间门控拉曼光谱系统及拉曼光谱校正方法，该时间门控拉曼光谱系统可以根据光源模块出射的脉冲激光的功率变化对拉曼光谱进行校正，无需设置昂贵的、高性能的功率稳定的激光器，有利于降低系统成本。

第一方面，本发明实施例提供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、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第一电信号，所述第一电信号传输至所述拉曼光谱采集模块和所述控制模块；

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单像素光电探测器，所述单像素光电探测器用于将所述拉曼散射光转换为第二电信号；

所述控制模块与所述光电探测模块和所述拉曼光谱采集模块连接，所述控制模块用于根据所述第一电信号确定所述脉冲激光的功率变化，根据所述功率变化校正所述第二电信号。

可选的，所述拉曼光谱采集模块包括数据采集卡，所述光电探测模块和所述单像素光电探测器均与所述数据采集卡连接，所述数据采集卡根据所述第一电信号的触发开始采集数据。

可选的，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。

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。

第二方面，本发明实施例还提供一种时间门控拉曼光谱系统的拉曼光谱校正方法，利用上述的时间门控拉曼光谱系统执行，所述拉曼光谱校正方法包括：

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第一电信号，所述第一电信号传输至拉曼光谱采集模块和控制模块；

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汇聚至所述拉曼光谱采集模块；

所述拉曼光谱采集模块的单像素光电探测器将所述拉曼散射光转换为第二电信号；

控制模块根据所述第一电信号确定所述脉冲激光的功率变化，根据所述功率变化校正所述第二电信号。

可选的，控制模块根据所述第一电信号确定所述脉冲激光的功率变化，根据所述功率变化校正所述第二电信号，包括：

在测量过程中，持续采集所述第一电信号，测量所述脉冲激光的功率随时间的变化曲线；

根据所述变化曲线计算所述脉冲激光的功率变化率；

采集所述第二电信号，所述第二电信号除以对应的所述功率变化率得到校正后的第二电信号。

本发明实施例提供的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、拉曼光谱采集模块和控制模块；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第一电信号，第一电信号传输至拉曼光谱采集模块和控制模块，第一电信号用来监测脉冲激光的功率变化和作为拉曼光谱采集模块的信号触发；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汇聚至拉曼光谱采集模块；通过拉曼光谱采集模块的单像素光电探测器将拉曼散射光转换为第二电信号；通过控制模块根据第一电信号确定脉冲激光的功率变化，根据功率变化校正第二电信号，提高拉曼光谱测量的准确性，而且无需设置昂贵的、高性能的功率稳定的激光器，有利于降低系统成本。

附图说明

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；

图7为本发明实施例提供的第五种时间门控拉曼光谱系统的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种激光功率随时间变化示意图；

图9为本发明实施例提供的原始拉曼光谱以及经过校正的拉曼光谱示意图；

图10为本发明实施例提供的一种时间门控拉曼光谱系统的拉曼光谱校正方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。需要注意的是，本发明实施例所描述的“上”、“下”、“左”、“右”等方位词是以附图所示的角度来进行描述的，不应理解为对本发明实施例的限定。此外在上下文中，还需要理解的是，当提到一个元件被形成在另一个元件“上”或“下”时，其不仅能够直接形成在另一个元件“上”或者“下”，也可以通过中间元件间接形成在另一元件“上”或者“下”。术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

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。相比于其他种类的高速光电探测器，单像素SPAD探测器在增益、空间分辨率、特别是时间分辨率上性能优异。如SPAD时间分辨率可以达到50ps，而目前最好的SPAD阵列探测器只能达到约200ps，ICCD相机在500ps左右。因此采用单像素SPAD探测器设计的时间门控拉曼是目前非常有效的一个设计方案。

在时间门控拉曼光谱系统中，相比较于ICCD相机、SPAD阵列等探测器，单像素SPAD探测器具有优秀的时间分辨率、高增益特性以及不错的空间分辨率。但因为是单像素，需要通过扫描来获取整个拉曼光谱。在扫描过程中，激光功率的浮动将影响所采集的信号。为了避免激光功率浮动，需要使用昂贵的、高性能的功率稳定的激光器，导致时间门控拉曼光谱系统成本较高，不利于推广应用。

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、拉曼光谱采集模块50和控制模块60。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的光信号转换为第一电信号，第一电信号传输至拉曼光谱采集模块50和控制模块60；传输模块40用于将第二光束a₂汇聚至待测样品70，并将待测样品70输出的拉曼散射光b汇聚至拉曼光谱采集模块50；拉曼光谱采集模块50包括单像素光电探测器（图1中未示出），单像素光电探测器用于将拉曼散射光b转换为第二电信号；控制模块60与光电探测模块30和拉曼光谱采集模块50连接，控制模块60用于根据第一电信号确定脉冲激光的功率变化，根据功率变化校正第二电信号。

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转变为第一电信号，其中光电探测模块30的类型可以根据实际情况选择，第一电信号被分为两路，一路送到控制模块60得到激光随时间变化关系，另一路作为触发电脉冲信号送到拉曼光谱采集模块50，触发数据采集卡（图1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，最后传输到拉曼光谱采集模块50中的针孔或狭缝内。拉曼光谱采集模块50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，用于将光信号转换成电信号并传输给控制模块60进行数据处理，其中控制模块60可以包括控制电脑。另外在具体实施时，待测样品70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；通过光电探测模块将第一光束的光信号转换为第一电信号，第一电信号传输至拉曼光谱采集模块和控制模块，第一电信号用来监测脉冲激光的功率变化和作为拉曼光谱采集模块的信号触发；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汇聚至拉曼光谱采集模块；通过拉曼光谱采集模块的单像素光电探测器将拉曼散射光转换为第二电信号；通过控制模块根据第一电信号确定脉冲激光的功率变化，根据功率变化校正第二电信号，提高拉曼光谱测量的准确性，而且无需设置昂贵的、高性能的功率稳定的激光器，有利于降低系统成本。

在上述技术方案的基础上，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，可选的，拉曼光谱采集模块50包括数据采集卡501，光电探测模块30和单像素光电探测器502均与数据采集卡501连接，数据采集卡501根据第一电信号的触发开始采集数据。

可以理解的是，第一光束a₁的光信号被光电探测模块30接收后形成的第一电信号为电脉冲信号，电脉冲信号传输给数据采集卡501实现门控开关触发，然后采集单像素光电探测器502接收的拉曼光信号。

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70，第二透镜43用于将拉曼散射光汇聚到拉曼光谱采集模块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50包括拉曼分光单元51、步进电机52和直线导轨53，拉曼分光单元51包括狭缝511、第三透镜512、光栅513和第四透镜514，单像素光电探测器502设置在直线导轨53上，由步进电机52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。

图7为本发明实施例提供的第五种时间门控拉曼光谱系统的结构示意图。参考图7，本实施例中，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转为电脉冲信号。该电脉冲信号分成两路。第一路用于触发信号采集，第二路用于记录下激光功率随着时间的变化曲线。传输模块40主要是通过各种光学器件将拉曼激发光聚焦到待测样品70，然后收集拉曼散射光、过滤掉拉曼激发光、最终到达拉曼光谱采集模块50。这里采用普通的显微拉曼探测系统。样品台80用以承载待测样品70，使得待测样品70在激发光的聚焦位置处。这里采用的样品台80可以灵活调节待测样品70相对于激发光的聚焦位置。拉曼分光单元51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SPAD502、步进电机52和直线导轨53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探测器和光纤耦合后，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60控制进而获取拉曼光谱。其中控制模块60可以采用台式机，用来控制各硬件系统，采集和分析数据。

图8为本发明实施例提供的一种激光功率随时间变化示意图，图9为本发明实施例提供的原始拉曼光谱以及经过校正的拉曼光谱示意图。拉曼光谱的信号强度与激光功率成正比，当激光功率随着工作时间的变化而降低时，可以根据比例增大拉曼光谱信号的强度，以实现拉曼光谱的信号补偿，通过测量激光功率的变化曲线，可以用来校正原始拉曼谱图，从而克服激光功率不稳定带来的拉曼光谱不准的问题。本实施例中，将脉冲激光通过分光镜多分出一束激光，通过探测器来测量激光功率随着时间的变化曲线，并且利用该曲线来校正所获取的拉曼光谱。

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激光功率浮动带来的拉曼信号失真问题。通过分光镜分出一束激光来获取激光功率随时间的变化曲线，进而校正失真的拉曼光谱。该系统可以使用成本较低的脉冲激光搭配单像素光电探测器来搭建时间门控拉曼光谱仪。

图10为本发明实施例提供的一种时间门控拉曼光谱系统的拉曼光谱校正方法示意图，本实施例提供的拉曼光谱矫正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10，该拉曼光谱校正方法包括：

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。第一光束用来测量激光功率变化和形成触发信号，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第一电信号，第一电信号传输至拉曼光谱采集模块和控制模块。

其中，光电探测模块的具体类型可以根据实际情况选择，传输至拉曼光谱采集模块的电信号用于触发数据采集，传输至控制模块的电信号用于探测激光功率变化。

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，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。

步骤S150、拉曼光谱采集模块的单像素光电探测器将拉曼散射光转换为第二电信号。

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，探测单元包括单像素光电探测器，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。

步骤S160、控制模块根据第一电信号确定脉冲激光的功率变化，根据功率变化校正第二电信号。

可选的，控制模块根据第一电信号确定脉冲激光的功率变化，根据功率变化校正第二电信号，包括：

在测量过程中，持续采集第一电信号，测量脉冲激光的功率随时间的变化曲线；

根据变化曲线计算脉冲激光的功率变化率；

采集第二电信号，第二电信号除以对应的功率变化率得到校正后的第二电信号。

本实施例中，采用单像素SPAD扫描的方式获取拉曼光谱，对于不同位置的拉曼光，需要通过扫描的形式接收，扫描时激光脉冲功率会发生变化，当激光功率随着工作时间的变化而降低时，可以根据比例增大拉曼光谱信号的强度，以实现拉曼光谱的信号补偿，通过测量激光功率的变化曲线，可以用来校正原始拉曼谱图，从而克服激光功率不稳定带来的拉曼光谱不准的问题。

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第一电信号，第一电信号传输至拉曼光谱采集模块和控制模块，第一电信号用来监测脉冲激光的功率变化和作为拉曼光谱采集模块的信号触发；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汇聚至拉曼光谱采集模块；通过拉曼光谱采集模块的单像素光电探测器将拉曼散射光转换为第二电信号；通过控制模块根据第一电信号确定脉冲激光的功率变化，根据功率变化校正第二电信号，提高拉曼光谱测量的准确性，而且无需设置昂贵的、高性能的功率稳定的激光器，有利于降低系统成本。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (10)

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、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第一电信号，所述第一电信号传输至所述拉曼光谱采集模块和所述控制模块；

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单像素光电探测器，所述单像素光电探测器用于将所述拉曼散射光转换为第二电信号；

所述控制模块与所述光电探测模块和所述拉曼光谱采集模块连接，所述控制模块用于根据所述第一电信号确定所述脉冲激光的功率变化，根据所述功率变化校正所述第二电信号。

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，所述拉曼光谱采集模块包括数据采集卡，所述光电探测模块和所述单像素光电探测器均与所述数据采集卡连接，所述数据采集卡根据所述第一电信号的触发开始采集数据。

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。

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拉曼光谱校正方法，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，所述拉曼光谱校正方法包括：

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第一电信号，所述第一电信号传输至拉曼光谱采集模块和控制模块；

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汇聚至所述拉曼光谱采集模块；

所述拉曼光谱采集模块的单像素光电探测器将所述拉曼散射光转换为第二电信号；

控制模块根据所述第一电信号确定所述脉冲激光的功率变化，根据所述功率变化校正所述第二电信号。

10.根据权利要求9所述的拉曼光谱校正方法，其特征在于，控制模块根据所述第一电信号确定所述脉冲激光的功率变化，根据所述功率变化校正所述第二电信号，包括：

在测量过程中，持续采集所述第一电信号，测量所述脉冲激光的功率随时间的变化曲线；

根据所述变化曲线计算所述脉冲激光的功率变化率；

采集所述第二电信号，所述第二电信号除以对应的所述功率变化率得到校正后的第二电信号。

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