CN114599947A - 用于测量拉曼光谱的装置及其方法 - Google Patents

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伊尔卡·阿拉萨雷拉
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Abstract

公开了一种用于测量时间分辨光谱的装置(100)，该装置包括光源(102)，用于生成导向目标(110)的光脉冲。该装置还包括：传感器布置(118、200)，用于采集所发射的光辐射，形成和操纵所发射的光辐射并测量光辐射的强度；以及控制器(120、228)，可操作地耦接到光源和传感器布置。传感器布置包括至少一个光学延迟元件(212、214、402、404、406)，以向所发射的光辐射(210、302、412、706)的第一部分(208、508、604)提供时间延迟。传感器布置还包括：光谱色散器(220)，用于将所发射的光辐射的延迟后的第一部分以及所发射的光辐射的第二部分分为具有多个波长的色散辐射；以及传感器元件(226、314、426、612)，被配置为在其不同空间区域中接收色散辐射的每个波长，并且测量与色散辐射的每个波长相关联的光强度。此外，控制器被操作以采集与由传感器元件测量的色散辐射的每个波长相关联的光强度的量，以形成时间分辨光谱。

Description

用于测量拉曼光谱的装置及其方法
技术领域
本公开一般涉及光谱技术；尤其涉及时间分辨光谱技术；更具体地说，涉及时间门控拉曼光谱技术。此外，本公开涉及一种用于测量时间分辨光谱的装置，或者更具体地，涉及一种用于测量时间门控拉曼光谱的装置。此外，本公开涉及一种用于测量时间分辨光谱的方法，或者更具体地，涉及一种用于测量时间门控的拉曼光谱的方法。
背景技术
光谱学是研究物质和光特别是电磁辐射之间的相互作用。光谱学的类型通常包括但不限于：原子光谱学、紫外和可见光谱学、红外光谱学、拉曼光谱学等。拉曼光谱学基于光(诸如激光)入射到物质上时引起分子振动并经历非弹性散射的现象。这种散射光由拉曼光谱仪检测，基于拉曼光谱仪可以确定物质和与物质相关的光谱信息。
拉曼光谱学可以在各种应用中使用，例如鉴别分子、研究化学和分子内键、表征材料、发现物质的晶体取向、观察固体的低频激发、鉴别活性药物成分及其多晶型等。用于基本物质鉴别的常规分析通常需要低分辨率或中等分辨率。相比之下，表征多晶型物和结晶度通常需要高光谱分辨率，因为这些现象在拉曼光谱中表现出细微的变化，这些变化在低分辨率的拉曼光谱中为不可见。基于角度色散的光谱仪能够实现良好的光谱分辨率，同时还能够在同一时间测量整个光谱。这是光谱仪的有益特性，而例如基于例如法布里-珀罗滤波器、旋转光栅等的扫描单色仪不具备该特性。
通常，当测量拉曼光谱时出现的荧光和背景光或目标的热发射会导致光谱信息的丢失，从而使得无法准确表征物质。时间门控拉曼光谱技术可以改进测量。在一种类型的时间门控拉曼光谱中，传感器阵列仅在特定的时间段内以导通状态运行，以测量拉曼散射。另一方面，当观察到拉曼散射以外的其它现象时，传感器阵列保持在关断状态。例如，与拉曼散射相比，荧光可以具有较长的寿命，因此，时间门控拉曼光谱可以被用于拒绝极大部分的荧光发射，从而减轻与其相关的信号失真。然而，时间门控拉曼光谱具有其自身的缺点。
值得注意的是，当使用短激光脉冲(例如具有100皮秒时间宽度的光脉冲)激励目标时，发射的拉曼散射脉冲具有近似相同的时间宽度，假设目标是光学薄的并且不会引起例如弹性扩散的时间展宽。因此，理想情况下，传感器阵列的导通状态将具有相同的持续时间。与本公开相关的光谱仪使用角度色散来在传感器阵列上形成光谱。高通量光谱仪中的角度色散导致所接收的光发射脉冲的过度时间展宽。值得注意的是，当对多色光束进行光谱解析时，一定程度的时间展宽是不可避免的，但是同时，对高通量(大光展度)的需求也将导致在本公开中所谓的过度时间展宽。值得注意的是，在一些时间门控方法中，在所述脉冲进入光谱仪之前执行光学脉冲的时间门控。在这些方法中，由光谱仪引起的时间展宽不是问题。本公开仅涉及时间门控光谱的那些方法，其在光脉冲离开光谱仪之后将对光脉冲执行时间门控。在这些系统中，过量的时间展宽将导致时间分辨率的降低，这本身对时间分辨光谱的许多应用是有害的。尤其地，相比于完全避免了过量时间展宽的情况，这导致了时间门控有效性的降低，进而造成了时间门控拉曼光谱的信噪比的降低。
现有技术中的问题是时间展宽的增加和信噪比的降低，这降低了测量时间门控拉曼光谱的有效性。因此，需要克服这种在时间门控拉曼光谱的方法(这些方法使用了角度色散，并且由检测元件执行时间门控或在检测元件处执行时间门控)中所存在的过度时间展宽和信噪比降低的问题。
发明内容
本公开寻求提供一种用于测量时间分辨的光发射光谱的装置。本公开还寻求提供用于测量时间分辨光发射光谱的方法。当应用于时间分辨光谱仪时，本公开寻求提供一种解决方案，以解决现有技术中高通量光谱仪中的时间分辨率降低的问题。本公开的目的是提供至少部分克服现有技术中遇到的问题的解决方案，并提供用于有效测量时间分辨光谱的装置。
在一个方面，本公开的实施例提供了一种用于测量时间门控拉曼光谱的装置，该装置包括：
-光源，用于生成导向目标的光脉冲，其中，该目标随后将发射包括至少第一部分和第二部分的光辐射；
-传感器布置，用于测量光辐射的强度；以及
-控制器，可操作地耦接到光源和传感器布置；
其中，该传感器布置包括：
-至少一个光学延迟元件，用于向所发射的光辐射的第一部分提供时间延迟，其中，所发射的光辐射的第二部分绕过至少一个光学延迟元件；
-光谱色散器，用于将所发射的光辐射的延迟后的第一部分和所发射的光辐射的第二部分色散为具有多个波长的色散辐射，其中，色散辐射的每个波长被分成角度不同的方向，并且其中每个部分的色散辐射以预定的相对延迟离开光谱色散器；以及
-传感器元件，被配置为在传感器元件的不同的空间区域上接收色散辐射的每个波长，并测量与色散辐射的每个波长相关联的光强度；以及
其中，控制器被操作以记录与由传感器元件测量的与色散辐射的每个波长相关联的所测量的光强度，以形成时间分辨光谱。
在另一方面，本公开提供了一种用于测量时间分辨光谱的方法，其中该方法包括：
-生成导向目标的光脉冲，其中，目标随后将发射包括至少第一部分和第二部分的光辐射；
-向所发射的光辐射的第一部分提供时间延迟，其中，所发射的光辐射的第二部分绕过至少一个光学延迟元件；
-将所发射的光辐射的延迟后的第一部分和所发射的光辐射的第二部分色散为具有多个波长的色散辐射，其中，色散辐射的每个波长被被分成角度不同的方向，并且其中，每个部分的色散辐射以预定的相对延迟离开光谱色散器；以及
-在传感器元件的不同空间区域中接收色散辐射的每个波长，并且测量与色散辐射的每个波长相关联的光强度；
-记录与由传感器元件测量的与色散辐射的每个波长相关联的所测量的光强度，以形成时间分辨光谱。
本公开的实施例基本上消除或至少部分地解决了现有技术中的过度时间展宽的问题，并提供了用于测量时间分辨光谱的装置和方法。这种装置采用了光学延迟元件，以通过增强时间分辨光谱测量的方式来操纵光辐射束。因此，本公开提供了用于测量时间分辨光谱的装置。此外，本公开提供了对时间门控拉曼光谱的测量的有效且准确的改进，并且提供了增强的时间分辨率。
根据附图和结合所附权利要求书解释的说明性实施例的详细描述，本公开的附加方面、优点、特征和目的将变得显而易见。
应当理解，本公开的特征在不背离如所附权利要求所限定的本公开的范围的情况下易于以各种组合进行组合。
附图说明
当结合附图阅读时，将更好地理解上文所述的发明内容以及下文中对于说明性实施例的详细描述。为了说明本公开，在附图中示出了本公开的示例性结构。然而，本公开不限于本文所公开的特定方法和工具。此外，本领域技术人员将理解附图不是按比例绘制的。在可能的情况下，可以用相同的数字表示相似的元件。
现在将仅以示例的方式参考以下附图描述本公开的实施例，在附图中：
图1示出了根据本公开的实施例的用于测量时间分辨光谱的装置的框图；
图2示出了根据本公开的实施例的在图1所示的用于测量时间分辨光谱的装置中实现的传感器布置的示意图；
图3示出了根据本公开的实施例的描绘了当穿过衍射光栅时准直后的发射的光辐射被分离为色散辐射的布置的示意图；
图4A-图4B示出了根据本公开的实施例的采用了光透射分割的布置的示意图，其中包括作为玻璃块的光学延迟元件；
图5A-图5B示出了根据本公开的实施例的采用了光透射分割的布置的示意图，其中包括作为反射镜的光学延迟元件；
图6示出了根据本公开的实施例的采用了光反射分割的布置的示意图；
图7A、图7B和图7C示出了根据本公开的实施例的采用了分光分割的布置的示意图；以及
图8A和图8B示出了用于设置针对非准直的发射的光辐射的光延迟分割的布置的示意图。
在附图中，使用带下划线的数字来表示带下划线的数字所在的项目或带下划线的数字相邻的项目。非下划线的数字与由将非下划线的数字连接到该项目的线标识的项目有关。当一个数字是非下划线并且伴随有相关联的箭头时，这个非下划线数字用于标识箭头指向的一般项目。
具体实施方式
以下详细描述说明了本公开的实施例以及可以实现这些实施例的方式。虽然已经公开了实施本公开的一些方式，但是本领域技术人员将认识到，用于执行或实施本公开的其他实施例的其他方式也是可能的。
在一个方面，本公开的实施例提供了一种用于测量时间分辨光谱的装置，该装置包括：
-光源，用于生成导向目标的光脉冲，其中，目标随后将发射光辐射；
-传感器布置，用于测量光辐射的强度；以及
-控制器，可操作地耦接到光源和传感器布置；
其中，该传感器布置，包括：
-至少一个光学延迟元件，用于向所发射的光辐射的第一部分提供时间延迟，其中，所发射的光辐射还包括绕过至少一个光学延迟元件的第二部分；
光谱色散器，用于将所发射的光辐射的延迟后的第一部分和第二部分色散成具有多个波长的色散辐射，其中，色散辐射的每个波长被分成角度不同的方向，并且其中，每个部分的色散辐射以预定的相对延迟离开光谱色散器；以及
-传感器元件，被配置为在该传感器元件的不同空间区域上接收色散辐射的每个波长，并且测量与色散辐射的每个波长相关联的光强度；以及
其中，控制器被操作以记录与由传感器元件测量的色散辐射的每个波长相关联的所测量的光强度，以形成时间分辨光谱。
在另一方面，本公开提供了一种用于测量时间分辨光谱的方法，其中，该方法包括：
-生成导向目标的光脉冲，其中，该目标随后将发射光辐射；
-向所发射的光辐射的第一部分提供时间延迟，其中，所发射的光辐射还包括绕过至少一个光学延迟元件的第二部分；
-将所发射的光辐射的延迟后的第一部分以及所发射的光辐射的第二部分色散成具有多个波长的色散辐射，其中，色散辐射的每个波长被分成角度不同的方向，并且其中，每个部分的色散辐射以预定的相对延迟离开光谱色散器；以及
-在传感器元件的不同空间区域中接收色散辐射的每个波长，并且测量与色散辐射的每个波长相关联的光强度；
-记录与由传感器元件测量的色散辐射的每个波长相关联的所测量光强度，以形成时间分辨光谱。
在整个本公开中，术语“目标”是指当被光(例如激光)照射时可以发射光辐射的材料，该光辐射包括但不限于拉曼散射光。实际上，当被光照射时，例如当材料包括具有振动能级的分子和/或晶体结构时，所有材料均可以通过拉曼散射发射光。除了通过拉曼散射发射光之外，一些分子还可以通过荧光发射光。例如，当被光照射时，有机分子可以通过荧光以及通过拉曼散射发射光。例如，含有共轭芳香环的有机分子可以通过荧光以及通过拉曼散射发射光。应当理解，荧光可能会干扰拉曼光谱的测量，并因此降低所获得的拉曼光谱的质量(例如信噪比)。可以通过使用时间门控拉曼光谱来减少或消除这种荧光。与本公开有关的时间门控拉曼光谱的形式采用了时间分辨检测器(例如传感器元件)，其被配置为在短时间内保持在“导通状态”，以用于测量落在其上的色散辐射，然而这些时间分辨检测器被配置为在观察到大部分荧光或其它非拉曼光发射的时间内保持在“关断状态”。值得注意的是，与拉曼辐射的发射相比，通过荧光的光发射通常为寿命较长的过程。因此，与传感器元件相关联的“导通状态”理想地等于激光脉冲的时间宽度，例如100皮秒(ps)，在此期间将观察到拉曼辐射。这种采用时间门控拉曼光谱的装置消除了荧光的部分影响(尤其是荧光的尾部的影响)。
拉曼散射通常包括两种类型的辐射，斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射。斯托克斯拉曼散射为一种非弹性散射过程，其中，照射光(例如激光)的光子可能会丢失能量，从而改变目标的振动和/或旋转状态；即，入射光子的能量和对应的散射光子的能量之间的差为正。照射光的光子可能会丢失能量，从而改变目标的振动状态和改变目标的旋转状态。反斯托克斯拉曼散射为一种非弹性散射过程，其中，散射光子可以从目标的振动状态的变化中获得能量；即，入射光子的能量和对应的散射光子的能量之间的差为负。散射光的光子可以从振动状态的变化和从目标的旋转状态的变化中获得能量。目标的时间门控拉曼光谱可用于例如提供关于目标的分子组成的信息。该信息可以例如用于目标的定性化学分析、目标的定量化学分析，和/或，用于分析目标的晶体结构。此外，可以基于该信息来控制工业过程。该信息还可用于例如司法目的，例如可用作法庭上的证据。
用于测量时间分辨光谱的装置包括光源，该光源用于生成导向目标的光脉冲(也称为激励脉冲)。光源的一个示例为激光器。实际上，用于测量时间分辨光谱的装置可以利用强单色光源，例如用于生成光脉冲的激光源。光源用于优选地发射在电磁光谱的可见光范围、紫外光范围或近红光外区域中的光脉冲。可选地，光源可以是激光二极管、固态激光器等。更可选地，光源可以是能够向目标发射短脉冲光的Q开关激光器。此外，目标散射随后(在光(激发)脉冲击中目标之后)将发射光辐射。所发射的光辐射的一部分可以为拉曼辐射的形式。光脉冲可以被设置为照射目标，例如引起来自目标的光子的非弹性散射。具体地，光脉冲的一部分可以激发来自目标的拉曼散射。此外，光脉冲可能导致荧光辐射作为来自目标的光辐射而被发射。目标可以包括例如无机材料。目标可以包括例如有机材料和/或生物材料。目标可以包括例如芳香族化合物，其可以通过拉曼散射和荧光发射光。目标可以包括例如气体、固体和/或液体。目标可以包括例如异质混合物。目标可以包括例如非均质混合物，其包括悬浮在液体中或悬浮在气体中的粒子。粒子可以是例如固体粒子、液体粒子和/或生物细胞。目标可以包括例如单晶材料、多晶材料或非晶材料。目标可以例如被支呈在支架上。目标例如可以被包含在样本单元中。发射的光辐射可以包括拉曼散射光和/或弹性散射光。弹性散射光可以包括来自均匀物质的瑞利散射光。弹性散射光可以包括来自目标粒子的米氏散射光。弹性散射光可以包括来自悬浮介质的瑞利散射光和/或来自一个或多个粒子的米氏散射光。弹性散射光和反射光可以包括来自于在目标中、样品单元中和光路内的所有介入部件中的具有不同折射率的介质之间的各种边界的菲涅耳反射光。当被光脉冲照射时，目标可以提供弹性散射光(作为发射的光辐射)，并且当被光脉冲照射时，材料可以提供拉曼散射光(作为发射的光辐射)。弹性散射光的波长可以等于光脉冲的波长。
可选地，用于测量时间分辨光谱的装置还包括至少一个光学构件，以聚集来自于光源的所生成的光脉冲，并且将所生成的光脉冲朝向目标聚焦。至少一个光学构件可以例如为光学透镜，其聚集来自于光源的光脉冲并且将该光脉冲朝向目标聚焦。更可选地，所述至少一个光学构件可以是分束器，以将光脉冲的一部分导向同步传感器元件(例如单个反向偏置光电二极管)，并将光脉冲的另一部分导向目标。同步传感器元件可以生成用于控制时间分辨光谱的传感器元件的操作时序的同步信号。该同步信号也可以称为例如定时信号。该同步信号可以包括定时脉冲。该同步信号可以称为定时脉冲。
此外，用于测量时间分辨光谱的装置包括用于测量时间分辨光辐射光谱的传感器布置。传感器布置处理所测量的光辐射，以获得时间分辨光谱，并因此测量时间分辨光谱。
此外，用于测量时间分辨光谱的装置包括控制器，其可操作地耦接到光源和传感器布置。在整个本公开中，术语“控制器”指的是管理、命令、指导或调节诸如光源和传感器布置的其它设备或系统的操作的硬件设备或软件。控制器可以包括诸如时钟、辅助触发设备等辅助设备。例如，控制器可以经由微控制器、可编程逻辑控制器等来实现。可操作地耦接到光源的控制器使得光源可以根据由控制器所提供的触发信号来生成光脉冲。例如，触发信号可以由时钟生成，或者由辅助触发设备生成。控制器、时钟或辅助触发设备可被设置为将触发信号发送到光源，例如根据需要触发光脉冲的生成。光源可以被设置为根据触发信号生成光脉冲序列。光脉冲的重复率可以为例如在1Hz到107Hz的范围内。可选地，光脉冲的重复率可以为从1Hz、10000Hz、20000Hz、30000Hz、40000Hz、50000Hz、60000Hz、70000Hz、80000Hz、90000Hz、100000Hz、200000Hz、300000Hz、400000Hz、500000Hz、600000Hz、700000Hz、800000Hz、900000Hz、1000000Hz、2000000Hz、3000000Hz、4000000Hz、5000000Hz、6000000Hz、7000000Hz、8000000Hz或9000000Hz直至10000Hz、20000Hz、30000Hz、40000Hz、50000Hz、60000Hz、70000Hz、80000Hz、90000Hz、100000Hz、200000Hz、300000Hz、400000Hz、500000Hz、600000Hz、700000Hz、800000Hz、900000Hz、1000000Hz、2000000Hz、3000000Hz、4000000Hz、5000000Hz、6000000Hz、7000000Hz、8000000Hz、9000000Hz或10000000Hz的范围内。优选地，光脉冲的重复率可以是例如在10kHz至1000kHz的范围内。可选地，光脉冲的重复率可以为从10kHz、100kHz、200kHz、300kHz、400kHz、500kHz、600kHz、700kHz、800kHz、900kHz直至100kHz、200kHz、300kHz、400kHz、500kHz、600kHz、700kHz、800kHz、900kHz或1000kHz的范围内。光源可以被设置为生成单个光脉冲。光源的工作寿命可以取决于光脉冲的最大强度以及光脉冲的时间宽度。此外，生成短而强的光脉冲可能与损坏光源的关键组件或与损坏光源有关的任何辅助设备(例如焦距透镜)的风险相关联。光源可以被设置为提供光脉冲，使得在光脉冲的最大强度在预定范围内的情况下，光脉冲的时间宽度大于预定限制，从而为光源提供特定的最小工作寿命。
光脉冲的时间宽度例如可以在10至2000ps(皮秒)的范围内。实际上，当光脉冲长于例如2000ps时，通常不需要光学延迟元件。光脉冲的时间宽度可以例如长于或等于50ps，以降低损坏光源和与其相关联的辅助设备的风险。
可选地，传感器布置还包括至少一个准直元件，以准直从目标处发射的光辐射。从目标处发射的光辐射呈散射形式，因此，从目标处发射的光辐射最初具有球面波前。用于对从目标处发射的光辐射进行准直的至少一个准直元件可以被设置在目标和至少一个延迟元件之间的光路上。在这种示例中，向延迟元件提供光辐射的准直光束。可选地，用于准直从目标处所发射的光辐射的至少一个准直元件可以被设置在至少一个延迟元件和传感器元件之间的光路上。
可选地，至少一个准直元件例如包括以下至少之一：透镜布置、反射镜布置、经由针孔或狭缝结合的孔径、或光波导中。准直元件可以为透镜，例如该凸透镜，其将由目标所发射的具有球面波前的光辐射准直为具有平面波前的发射的光辐射。
传感器布置还包括至少一个光学延迟元件，以向所发射的光辐射的第一部分提供时间延迟。此外，所发射的光辐射还包括绕过至少一个光学延迟元件的第二部分。如上文所述，穿过准直元件的所发射的光辐射具有平面波前。光学延迟元件被设置在这种所发射的光辐射的第一部分的光路中。根据一个实施例，所发射的光辐射的至少第一部分被设置为多次穿过至少一个光学延迟元件。在第一示例中，所发射的光辐射的第一部分穿过光学延迟元件，与绕过光学延迟元件的第二部分相比，光学延迟元件使光辐射的第一部分慢下来。在第二示例中，相较于所发射的光辐射的第二部分，所发射的光辐射的第一部分被设置为行进了更长的光路。在第三示例中，可以使用用于慢下来的光延迟和较长光路的组合。因此，总体而言，第一部分在离开光学延迟元件之后行进所花费的时间大于绕过光学延迟元件的第二部分所花费的时间。应当理解，第一部分可以进一步被划分成多个部分，使得多个部分中的每个部分被设置有不同数量或尺寸的光学延迟元件，从而向多个部分中的每个部分提供不同的时间延迟。此外，每个部分中的光学延迟元件可以具有不同的形状和尺寸，从而向每个部分提供不同的时间延迟。此外，每个部分中的光学延迟元件可以由不同的材料制成，使得穿过每个光学延迟元件的光辐射的速度不同，从而向多个部分中的每个部分提供不同的时间延迟。此外，在“绕过至少一个光学延迟元件”的上下文中，术语“绕过”指的是所发射的光辐射的一部分不穿过至少一个光学延迟元件。绕过至少一个光学延迟元件的所述第二部分可被设置为穿过不同于至少一个光学延迟元件的另一光学延迟元件。即，可以为第一部分和第二部分设置不同的延迟。本公开中的部分的数量可以是两个或更多。此外，作为示例，光学延迟元件在工作时可以向所发射的光辐射的第一部分提供时间延迟，所发射的光辐射的第一部分相较于所发射的光辐射的第二部分具有更短的光路。此外，所发射的光辐射的第二部分的光路没有光学延迟元件，从而使得第二部分可以在没有任何时间延迟的情况下行进。因此，延迟后的第一部分和第二部分可以以预定的相对时间延迟行进的色散辐射的形式离开光谱色散器。因此，色散辐射的多个波长以受控的方式(例如，在不同时间或同一时间)被传感器元件所接收，从而使得传感器元件可以在其“导通状态”期间的短时间内(例如几十皮秒)准确地测量与多个波长中的每一个波长相关联的光强度。这种光学延迟元件增强了与时间分辨光谱相关联的时间分辨率。此外，应当理解，由于与色散辐射相关联的光脉冲前延倾斜而导致的时间展宽恶化了时间门控拉曼光谱的荧光拒绝。因此，光学延迟元件、传感器元件和利用角度光谱色散的光谱色散器提高了时间分辨率，同时还不会对与时间门控拉曼光谱相关联的光谱分辨率产生负面影响。
为了克服测量时间门控拉曼光谱的过度时间展宽和信噪比降低的问题，可以使用至少一个光学延迟元件，至少一个光学延迟元件向所发射的光辐射的第一部分提供时间延迟，并且第二部分将绕过至少一个光学延迟元件，使得传感器元件可以在短时间段内以受控的方式接收多个波长。所发射的光辐射的第一部分将穿过光学延迟元件；相较于绕过该光学延迟元件的第二部分，该光学延迟元件将对第一部分进行延迟，因此，第一部分在离开该光学延迟元件之后行进所花费的时间大于绕过该光学延迟元件的第二部分所花费的时间。可以调整第一部分的延迟，使得其消除由光谱仪中的角度色散所产生的脉冲前延倾斜而导致的第一部分和第二部分之间的平均延迟。多个波长将被传感器元件以受控的方式接收，从而使得传感器元件可以在短时间内准确地测量多个波长的光强度。与拉曼散射相比，荧光具有较长的寿命，因此在短时间内测量光强度将会拒绝相当大部分的荧光发射，从而提高了信噪比。
可选地，至少一个光学延迟元件包括以下至少之一：自由空间的长度、由玻璃制成的棱镜、由玻璃制成的长方体、由玻璃制成的道威棱镜、由玻璃制成的五棱镜、由晶体材料制成的棱镜、由晶体材料制成的长方体、由晶体材料制成的道威棱镜中、由晶体材料制成的五棱镜、反射镜布置、透镜、光纤。光学延迟元件可以是所发射的光辐射的一部分行进的自由空间长度。如果长度较长，则延迟较长。光学延迟元件可以是为透明玻璃块使得所发射的光辐射可以穿过的玻璃。光学延迟元件可以为光学透镜，使得光辐射的波前在穿过透镜时可以保持不变。应当理解，所发射的光辐射的第一部分可以穿过多个光学延迟元件。在一个示例中，第一部分可以穿过玻璃和透镜。在另一示例中，第一部分可以穿过透镜、晶体和光纤。值得注意的是，通过增加第一部分的光路中的光学延迟元件的数量，可以增加与其相关联的时间延迟。在另一可选实施例中，光学延迟元件可以为反射镜布置。反射镜布置可以包括一个或多个平面反射镜。可选地或附加地，反射镜布置可以包括一个或多个非平面反射镜。在这种反射镜布置中，通过将未准直的所发射的光辐射的第一部分设置为比未准直的所发射的光辐射的第二部分行进了更长的光路，来提供光学延迟。通常，与使用五棱镜的道威棱镜相比，反射镜布置可以被配置为提供等效的效果。在另外的实施例中，所发射的光辐射的至少第一部分可以多次穿过至少一个光学延迟元件。如此，单个光学延迟元件可用于根据所发射的光辐射穿过至少一个光学延迟元件的次数来倍增延迟。在替选的实施例中，第二部分不穿过光学延迟元件。如果在另一替选的实施例，第二部分可以穿过另一光学延迟元件，该光学延迟元件将提供与至少一个光学延迟元件不同的延迟。
在另一个可选的或替选的实施例中，使用反射折射分割来设置光学延迟元件。该布置包括玻璃元件和反射镜元件。在这种布置中，所发射的光辐射被设置为多次(两次、四次等)穿过玻璃块。作为示例，所发射的学辐射的第一部分被配置为穿过第一玻璃元件，并且所发射的光辐射的第二部分被配置为以某一角度穿过第二玻璃元件。第一玻璃元件比第二玻璃元件厚。在穿过第一玻璃元件或第二玻璃元件之后，所发射的光辐射的各部分将被使用第一反射镜反射回来以再次穿过玻璃元件。如此，可以增加由玻璃元件引起的延迟，而无需添加额外的玻璃元件(光将两次穿过玻璃元件)。如果所发射的光辐射被设置为相对于玻璃块和第一反射镜具有角度，则第一部分和第二部分彼此偏移(扩大总光瞳宽度)。此外，所发射的光辐射的反射部分和延迟部分可以利用第二反射镜进一步反射回玻璃元件以获得额外的延迟，并且还可以补偿第一部分相对于另一部分的偏移。当第一反射镜和第二反射镜相对于玻璃块以不同角度布置时，可以进行补偿。
在另一可选的布置中，光学延迟元件可以被设置为具有反射镜布置，该反射镜布置包括曲率半径为r1的第一球面反射镜和曲率半径为r2(r2＝r1/2)的第二球面反射镜，其中两个球面反射镜具有共同的曲率中心。这种布置使得能够消除对准直元件的需要，即，将未准直的所发射的光辐射用于传感器布置。由于在该布置中两个球面镜具有共同的曲率中心，所以两个球面镜将输入光束的图像形成到相同的输出位置。该布置的输入光束为聚焦的所发射的光辐射光束，而输出又是所发射的光辐射的聚焦光束，从而被引向传感器布置的光谱色散器(如后文所描述的)。如此，从第一球面镜反射的输入光束的第一部分从输入到输出将获得2r1的光路长度，而从第二球面镜反射的输入光束的第二部分从输入到输出将获得2r2＝r1的光路长度。实际上，如果使用凹面光栅，则可以通过贯穿未准直的光束来实现分割式光谱仪。
传感器布置还包括光谱色散器，用于将所发射的光辐射的延迟后的第一部分和第二部分色散为具有多个波长的色散辐射。此外，色散辐射的每个波长被分成角度不同的方向，其中，色散辐射的每个波长被分成角度不同的方向，并且其中每个部分的色散辐射以预定的相对延迟离开光谱色散器。
光谱色散器折射并色散穿过其中的所发射的光辐射，使得所发射的光辐射的延迟后的第一部分和第二部分分割成具有多个波长的色散辐射。因此，色散辐射的每个波长被分成空间上分离的方向。光学延迟元件向所发射的光辐射的第一部分提供时间延迟，使得所发射的光辐射的延迟后的第一部分和第二部分在穿过光谱色散器时，可以以具有预定相对延迟的色散辐射的形式离开该光谱色散器。作为示例，至少一个延迟元件是由厚度为5cm且折射率为1.5(在所发射的光辐射的第一部分的行进方向上)的玻璃所制成的长方体。所发射的光辐射的第一部分被设置为穿过由玻璃制成的长方体行进，第二部分被设置为绕过至少一个延迟元件并且在空气中行进相同的距离。第一部分以速度c/1.5行进了5cm，第二部分以速度c(其中c是光速)行进。即，第一部分相对于第二部分延迟时间为5cm/(c/1.5)–5cm/c＝8.3x10^-11秒(83ps)。
可选地，用于测量时间分辨光谱的装置还包括第一光纤和第二光纤，第一光纤用于将所生成的光脉冲从光源导向目标，第二光纤用于将所发射的光辐射从目标导向光谱色散器。第一光纤被设置在所生成的光脉冲和目标之间的光路中，以使得光损失最小化。可选地，可以提供第二光纤向所发射的光辐射提供光路，以使得光辐射进入至少一个准直元件。
可选地，光谱色散器包括以下至少之一：衍射光栅、棱镜或法布里-珀罗标准具。如果衍射光栅和棱镜以及标准具的色散辐射的角度色散相同，则在衍射光栅和棱镜以及标准具中与色散辐射相关联的脉冲前沿倾斜是相同的。然而，对于衍射光栅和棱镜，脉冲前沿倾斜的性质不同。在棱镜用作光谱色散器的情况下，色散辐射的每个波长的相位前沿保持与其垂直，而与色散辐射的每个波长相关联的波包根据其在棱镜内的光路长度获得不同数量的群延迟。在衍射光栅用作光谱色散器的情况下，色散辐射的每个波长的相位前沿相对于其横截面变得倾斜。
更可选地，对于多色光束，诸如与其相关联的多个波长的多个单色分量可以获得横向偏移和其间的正啁啾或负啁啾。在一个示例中，用作光学延迟元件的棱镜可以为道威棱镜、五棱镜等。值得注意的是，道威棱镜提供横向色移和倒转，但角度色散和脉冲前沿倾斜为零。五棱镜也不提供角度色散或脉冲前沿倾斜，但是其将光束转向一侧90度，同时不同的波长分量将获得横向偏移。
对于使用平面衍射光栅构建的光谱仪的情况，下文中详细描述脉冲前沿倾斜和光谱分辨率之间的权衡。为了本公开的目的，涉及凹面衍射光栅、棱镜和标准具的光谱仪设计的情况类似于平面光栅的情况。
选择用作光谱色散器的衍射光栅的光栅类型是重要的方面。衍射光栅的衍射级由整数“m”表示，通常|m|＝1。
衍射光栅中的总线数由“N”表示。衍射光栅被假定为由具有延迟后的第一部分和第二部分的准直后的所发射的光辐射完全填充。
衍射光栅的光栅之间的线间距以“d”(毫米)表示。因此，线密度(即，每毫米线数((1/mm))＝1/d。
衍射光栅的总宽度(w)被表示为：
w＝Nd
衍射光栅的分辨力(R)被表示为：
R＝λ/Δλ＝|m|N
其中，λ为波长。
具有宽度(w)的衍射光栅的最大可能分辨力(Rmax)为：
Rmax＝2w/λ
由衍射光栅所导致的脉冲前沿倾斜可以在空间方面或时间方面进行表征。在空间上，脉冲前沿倾斜等于衍射光栅中的总线数乘以衍射阶数乘以波长，即等于Rλ。与增量脉冲的总时间展宽相同的时间脉冲前沿倾斜等于空间倾斜除以光速＝Rλ/c，其中c为光速。
与色散辐射相关联的角度色散(dθ)/(dλ)被表示为：
(dθ)/(dλ)＝(1/cosθ)(m/d)
其中，θ为衍射角。
入射角为常数θ0。值得注意的是，角度色散将随着衍射光栅(d)的线间距减小而增加。此外，衍射级为“m”的衍射光栅的衍射效率是波长的函数。自由光谱范围取决于波长范围和衍射级。值得注意的是，在|m|＝1情况下，电磁光谱的可见范围波长的自由光谱范围覆盖整个范围。因此，针对第一级不需要级数分类过滤器。由在衍射光栅上具有延迟后的第一部分以及第二部分的所发射的光辐射的真正准直光束产生的衍射图案为角度的sinc2函数。应当理解，分辨力越大，图案的中心最大值越窄。可以使用角度色散和分辨力来估计角度分辨力。
值得注意的是，Δθ≈(dθ)/(dλ)Δλ
以及Δλ＝λ/R＝λ/|m|N
因此，|Δθ|≈λ/(N cosθ)。
此外，如果要利用衍射光栅的全部光谱分辨率，则狭缝(例如经由狭缝结合的孔径)需要很窄。具体地，狭缝的宽度必须使得整个衍射光栅能够适应于狭缝的夫琅和费衍射图案的中心最大值内。通常，狭缝比这宽得多，以增加光通量。因此，填充狭缝的单色光束(例如光脉冲)由准直元件转换为具有由δθ表示的较小但有限的角度扩展的宽光束。设w1为输入的狭缝宽度，FC为准直仪的焦距。
Tan(δθ/2)＝w1/(2FC)
如果w1﹤﹤FC
δθ≈w1/FC
其中w1为狭缝的宽度，FC为准直元件的焦距。
可以理解的是，假设衍射图案(即sinc2函数)仍然比狭缝的像窄，则在光谱平面上的狭缝的像是决定光谱分辨率的主要因素之一。单色光束的狭缝的像近似为衍射图案与boxcar函数的卷积，boxcar函数代表假定完美成像质量时的狭缝像。在实际的光谱仪中，成像质量并不完美，并且检测器上最终输入的狭缝像被系统的点扩散函数进一步模糊。
应当理解，为了获得足够大的色散辐射的角度色散，光栅常数必须很小。此外，为了获得足够的吞吐量，衍射光栅的宽度必须很大。因此，衍射光栅的分辨力通常优于由狭缝的像的宽度所限定的最终光学分辨率。
因此，R＝|m|N＝|m|(w/d)变大。
另一方面，假定狭缝宽度无限窄，则可以计算在给定波长λ0处获得给定分辨率Δλ0所需的最小分辨力(R)。如图所示，分辨力R＝|m|N＝λ/Δλ。
因此，Req＝λ0/(Δλ0)。
其中，Δλ0是狭缝限制的分辨率。
如果sinc2图案比狭缝的像至少窄三倍，则狭缝的像主要决定分辨率。实现上述分辨率的最小等效光栅分辨力为：
R'eq＝(3λ0)/(Δλ0)
最小分辨力和实际分辨力之间的比率被定义为过量分辨力，即：
Er＝R/R'eq＝(|m|NΔλ0)/(3λ0)
此外，整个衍射光栅上的光路差被定义为Δs＝Rλ，相应地，最小等效光路差被定义为Δs'eq＝R'eqλ。过量光路差被定义为Δs＝ERΔs'eq，过量时间展宽可以被定义为Δt＝ERΔt'eq。值得注意的是，如果过量时间展宽因子ER>1，则时间脉冲展宽大于目标波长分辨率所绝对需要的。
因此，Δk＝Δλ/λ2。
其中Δk为波数分辨率。
因此，由于基于傅立叶变换数学的不确定性关系，Δs＝1/Δk和ΔsΔk＝1。可以基于上述等式，比较由傅里叶变换光谱仪和基于角衍射或色散的光谱仪所引起的时间展宽。在具有完美准直的光束(例如光脉冲)的傅里叶变换光谱仪中，波数分辨率(Δk)导致脉冲展宽Δt＝Δs/c＝1/cΔk，这意味着其没有过量时间展宽。
可选地，从目标接收的准直后的所发射的光辐射被配置为通过采用衍射光栅的光谱色散器导向传感器元件，该衍射光栅使用以下至少之一：光透射分割、光反射分割或分光分割。实际上，根据一个实施例，光谱色散器包括衍射光栅，并且所发射的光辐射的延迟后的第一部分和所发射的光辐射的第二部分被配置为通过采用衍射光栅的光谱色散器导向传感器元件，该衍射光栅使用以下至少之一：光透射分割、光反射分割、分光分割。用于低光应用的紧凑型时间门控拉曼光谱仪的基本要求为大孔径和大角度色散。这种要求可能导致较大的过量分辨力(Excess Resolving power，ER)，并因此导致过量脉冲前沿倾斜。然而，为了保持大孔径，可以利用通过衍射光栅提供的过量分辨力。衍射光栅的原始大光栅可以被划分为具有较小但足够数量的光栅线的段。此外，可以为这样的每个段馈送具有适当的相对光路差的原始单色光束的切片。
应当理解，进入采用了衍射光栅的光谱色散器的内侧的准直后的所发射的光辐射(例如准直后的所发射的光辐射的第一部分)的光路长度比进入衍射光栅的外侧的准直后的所发射的光辐射(例如准直后的所发射的光辐射的第二部分)的光路长度短。在光透射分割中，为了平衡光路长度差，可以将光学延迟元件(例如玻璃块)添加到第一部分的光路中。值得注意的是，时间展宽与脉冲前沿倾斜相关联。因此，在没有光学延迟元件的情况下，脉冲前沿倾斜角为Rλ。在一个示例中，准直后的所发射的光辐射的具有光学延迟元件的第一部分的宽度是第二部分的两倍。在这样的示例中，对应于第二部分的衍射光栅段具有三分之一的光栅线。此外，第一部分可以被分成两部分，使得第一部分的每个部分均具有三分之一的衍射线。因此，与每个部分(即，第一部分的两个部分以及第二部分)相关联的脉冲前沿倾斜为Rλ/3。以使得第一部分的每一个子部分和第二部分的倾斜的脉冲前沿离开光谱色散器，在色散之后一致地行进的方式选择光学延迟元件的光学厚度。这种布置使得时间展宽减小了三倍。此外，假定所获得的分辨力R/3仍大于由狭缝宽度给出的分辨率，则光谱分辨率不会因为分割而恶化。更可选地，可以将道威棱镜用作光学延迟元件。可以使用包括反射镜的道威棱镜的等效物，其提供了消除道威棱镜可能经历的色度效应的额外优点。更可选地，五棱镜可以用作光学延迟元件。使用光透射分割的优点在于：当不需要良好的时间分辨率并且必须降低光谱仪成本和复杂性时，光学延迟元件可以容易地从准直光束的第一部分的光路中被移除。
光反射分割可用于通过衍射光栅，将准直后的所发射的光辐射导向传感器元件。包括光反射分割的这种布置具有如下优点，即，尚未观察到诸如群速度色散或波长相关的横向偏移之类的色散效应。
分光分割是光反射分割类型，其包括使用多于一个检测器(例如传感器元件)和多于一个光谱色散器。分光分割包括基于光束反射器(例如反射镜)布置的各种分割设计，所述光束反射器(例如反射镜)将光束(所发射的光辐射的光束)沿每个光谱色散器的期望方向上进行反射，所述光谱色散器用于接收光束(所发射的光辐射的光束)，并且将所接收的(多色的)所发射的光辐射(实质上为所发射的光辐射的光束)色散为具有传播到不同角度的多个波长的色散辐射。在一个示例中，衍射光栅使用的分光分割包括一级“云杉”设计，使得准直后的所发射的光辐射被分成两个方向，称为云杉的两个分支。在这样的示例中，时间展宽被减半，而波长分辨率保持不变。在另一个例子中，衍射光栅使用的分光分割包括二阶“云杉”设计，使得准直后的光辐射被分成四束。在这样的例子中，时间展宽减小了四倍，而波长分辨率是完整的。在另一个示例中，衍射光栅使用的分光分割包括“橡树”设计，该“橡树”设计为一阶“云杉”设计的递归概括。实际上，光谱色散器被配置为将所发射的光辐射的延迟后的第一部分和所发射的光辐射的第二部分色散为具有多个波长的色散辐射，其中，色散辐射的每个波长被分成角度不同的方向。
传感器布置还包括传感器元件，该传感器元件被配置为在其不同空间区域中接收色散辐射的每个波长。此外，传感器元件还被配置为测量与色散辐射的每个波长相关联的光强度。光谱色散器可以将准直后的所发射的光辐射的延迟后的第一部分和准直后的所发射的光辐射的第二部分分成具有多个波长的色散辐射，使得每个波长对应于一个光谱分量。光色散器元件可以将光谱分量导向传感器元件的不同空间区域。传感器元件被配置为在不同波长处测量与每个光谱分量相关联的光谱强度(例如光强度)。同时从光谱色散器离开的色散辐射的潜在优点是可以提高与传感器元件相关联的信噪比。作为示例，与每个波长相关联的光强度可以指在测量期间由每个传感器元件接收的光子数。在本公开中光强度通常是指可用于形成时间分辨光谱的绝对值或相对数值。此外，术语“在不同空间区域中的色散辐射的每个波长”是指在所发射的光辐射内朝向与角度方向相关联的角度的波长范围。作为示例，在第一角度方向的方向上的第一角度范围内的波长范围可以在第一波长和第二波长之间。取决于光色散器的结构和传感器布置的几何形状，第一波长和第二波长之间的差可以例如为0.001nm、0.1nm、1nm、10nm或100nm。此外，在第二角度方向的方向上的第二角度范围内的波长范围可以在第三波长和第四波长之间。取决于光色散器的结构和传感器布置的几何形状，第三波长和第四波长之间的差可以例如为0.001nm、0.1nm、1nm、10nm或100nm。作为另一示例，在第一角度方向上的第一角度内的波长可以为从800nm到801nm(不包括801nm)的范围内，在第二角度方向上的第二角度内的波长可以为从801nm到802nm的范围内。换而言之，两个连续的“每个波长”范围之间的差可以例如为高达0.001nm、0.01nm、0.1nm、1nm、5nm、10nm、20nm、30nm、40nm或50nm。根据该示例，传感器元件的第一传感器因此被配置为接收与第一波长范围(从800nm到801nm，不包括801nm)的波长相关联的光子。此外，传感器元件的第二传感器被配置为接收与第二波长范围(从801nm到802nm)的波长相关联的光子。根据该示例，第一传感器元件和第二传感器元件因此在空间上彼此相邻地布置。所测量的与第一范围和第二范围的波长相关联的光子被用作与色散辐射的每个波长相关联的光强度(即，与第一范围和第二范围相关联的强度)的度量。实际上，传感器元件被配置为在其不同的空间区域中接收色散辐射的每个波长，其中，传感器元件的第一空间区域被配置为接收第一波长范围，并且传感器元件的第二空间区域被配置为在第二空间区域中接收第二波长范围。在一个实施例中，传感器元件包括两个或更多个传感器。
可选地，当传感器元件接收到色散辐射时，传感器元件被配置或被操作以在预定时间段内处于“导通状态”。可选地，预定时间段被定义为当目标被入射激光脉冲激励时目标发射拉曼辐射的时间量。与其他光子生成的辐射(诸如由目标发射的荧光)相比，这种时间量通常较少。其他辐射阻碍了拉曼辐射的测量，因此在测量拉曼辐射时需要避免其他辐射。在一个示例中，预定时间段为100ps，其可以等于激光脉冲的激励目标的时间宽度。传感器元件可以在100ps的预定时间段内处于“导通状态”，以接收与目标发射的拉曼辐射相关联的色散辐射。传感器元件可以在一段时间内处于“关断状态”，在此期间将观察到其它不想要的辐射，例如荧光。此外，在示例性实施例中，控制器使得传感器布置的传感器元件与所生成的光脉冲同步。例如，控制器向传感器元件提供信号，以在与拉曼光谱相关联的光子到达的预期时间开始测量，并在尾随的荧光发射到达之前停止测量。例如，如果目标和激光器之间的距离是1米，并且从目标到传感器元件的距离也是1米，则光脉冲从激光器到传感器元件的总时间为t＝2m/c＝6.671纳秒(ns)，其中c＝光速。由于通常荧光现象具有比拉曼辐射更长的寿命，因此例如在开始时间之后100ps关断传感器元件，将有效地减少来自荧光辐射的干扰。在该示例中，传感器元件在开始生成每个脉冲(测量窗口)之后6.671ns至6.771ns的时间段内处于“导通状态”。通常，荧光辐射的观察时间为几千皮秒，例如10000ps。因此，传感器元件被配置为在观察到荧光的时间段例如10000ps内处于“关断状态”。如此，就不测量与关断状态期间的时间段内相关联的光子。在可选的或附加的实施例中，可调整在生成光脉冲之后的测量窗口的开始时间以生成基于时间的测量直方图。使用上述2米的示例，从生成光脉冲的时刻开始，其开始时间可以是6.671ns、6.68ns、6.69ns等。此外，可以根据测量条件和传感器元件的速度和灵敏度来设置“导通状态”的预定时间段。可选地，预定时间段的长度可以在1ps至100ps的范围内。在一个示例中，预定时间段可以为从1ps、10ps、20ps、30ps、40ps、50ps、60ps、70ps、80ps、90ps、100ps、110ps、120ps、130ps、140ps、150ps、160ps、170ps、180ps或190ps直到10ps、20ps、30ps、40ps、50ps、60ps、70ps、80ps、90ps、100ps、110ps、120ps、130ps、140ps、150ps、160ps、170ps、180ps、190ps或200ps的范围内。“导通状态”的预定时间段也可以是例如1至几纳秒，并且在该时间段内，可以使用与检测元件结合的时间-数字转换器，来在例如30皮秒-100皮秒的分辨率内确定检测器中的光子的撞击时间。在这种情况下，“导通状态”的预定时间段可以是从1、2、3、4、5、6、7或8纳秒到3、4、5、6、7、8、9或10纳秒的范围内。
可选地，传感器元件还包括位于不同空间区域中的每个空间区域中多个像素。每个空间区域中的多个像素被配置为接收色散辐射的分离的波长，并且测量与色散辐射的每个波长相关联的光强度的量。传感器元件的多个像素中的每个像素可以布置为测量在不同波长处的每个光谱分量的光谱强度。例如，第一光谱分量可以指向像素P1，第二光谱分量可以指向像素P2，第三光谱分量可以指向像素P3，等等。传感器元件的每个像素可以布置为测量在不同波长带处的光谱分量的光强度。传感器元件可以提供指示所测量的光谱分量的光强度的多个测量值。每个测量值可以指示不同波长处的散射光的光谱强度。传感器元件可以可选地包括用于存储测量值的存储器。该存储器例如可以称为缓冲存储器。具体地，传感器元件可以包括例如单光子雪崩二极管(Single photon avalanche diode，SPAD)的阵列。可以通过使用包括SPAD的传感器元件来测量散射的拉曼辐射的光谱强度分布。使用SPAD检测器使得可以例如降低测量值的噪声水平。可选地，该装置还可以包括一个或多个滤波器，以滤除色散辐射不想要的光谱分量。
此外，用于测量时间门控拉曼光谱的装置包括控制器，控制器被操作以采集与由传感器元件所测量的与色散辐射的每个波长相关联的光强度的量，以形成时间门控拉曼光谱。可以基于时序信号来控制传感器元件的操作时序。可以基于时序信号来启用和禁用传感器元件的操作。尤其地，SPAD检测器可以包括一组计数器。可以基于时序信号来启用和禁用该组计数器的操作。例如，可以通过在激励激光束中使用分束器和辅助光电检测器来形成时序信号。传感器元件可以提供检测器信号。该检测器信号可以包括多个测量的光信号值。每个光信号值可以指示光辐射的光谱强度，例如在不同光谱区域处的拉曼散射光。这种光信号值可以用于形成时间门控拉曼光谱，或者，通常与目标相关联的时间分辨光谱。
此外，用于测量时间分辨光谱的装置可以包括数据处理单元，其用于处理从传感器元件获得的测量值。该装置可以包括用于存储根据测量值所确定的输出值的存储器。该输出值可以指定所测量的目标的时间分辨光谱。数据处理单元可以被配置为根据从传感器元件处获得的测量值来确定测量的时间分辨光谱或者通常的时间分辨光发射光谱。
该装置可以包括用于控制该装置的操作和/或用于处理从传感器元件处获得的测量值的控制单元。该装置还可以包括用于存储计算机程序的存储器。计算机程序当由一个或多个数据处理器执行时可以使得该装置执行例如测量光信号值和/或处理光信号值。
该装置可以包括用于存储操作参数的存储器。该操作参数可以指定例如传感器元件的多个像素的积分时间段的持续时间，以及在测量期间用于在目标中生成光辐射(包括拉曼散射光)的激发激光脉冲的数量。
该装置可以包括用于向用户提供信息和/或用于从用户处接收用户输入的用户接口。该用户接口可以包括例如显示器、触摸屏和/或键盘。例如，用户接口可以被配置为以图形方式显示测量的时间分辨光谱。例如，用户接口可以被配置为显示表示测量的时间分辨光谱的图形，例如直方图。
该装置可以包括用于发送和/或接收数据的通信单元。该通信单元可以被布置为与局域网、互联网和/或移动通信网络进行通信。该装置也可以被布置为例如通过使用互联网服务器以分布式方式执行数据处理。
可以将由该装置所测量的时间分辨光谱与参考数据进行比较，以例如，便识别目标。可以将由该装置所测量的时间分辨光谱与参考数据进行比较，以确定目标的化学成分。所测量的时间分辨光谱的一个或多个光谱峰的高度和/或位置可用于估计目标中物质的浓度。所测量的光发射脉冲的光谱和时间形状可用于确定例如光致发光衰减形状。
根据一个实施例，时间分辨光谱为时间门控拉曼光谱。在该实施例中，所测量的光谱为时间门控拉曼光谱。
本公开还涉及如上所述的方法。以上公开的各种实施例和变型比照适用于该方法。
用于测量时间分辨光谱的方法包括：生成导向目标的光脉冲，其中，该目标发射光辐射；向穿过至少一个光学延迟元件的所发射的光辐射的第一部分提供时间延迟，其中，所发射的光辐射还包括绕过至少一个光学延迟元件的第二部分；将所发射的光辐射的延迟后的第一部分和所发射的光辐射的第二部分色散为具有多个波长的色散辐射，其中，色散辐射的每个波长被分成角度不同的方向，并且其中，每个部分的色散辐射以预定的相对延迟离开光谱色散器；以及在传感器元件的不同空间区域中接收色散辐射的每个波长，并且测量与色散辐射的每个波长相关联的光强度；以及采集与色散辐射的每个波长相关联的光强度的量，以形成时间门控光谱。根据一个实施例，时间门控光谱为时间门控拉曼光谱。
可选地，用于测量时间分辨光谱的方法还包括：使用第一光纤将所生成的光脉冲从光源导向目标，以及，使用第二光纤将光辐射的部分从目标导向光谱仪。
可选地，用于测量时间分辨光谱的方法还包括：聚集来自光源的所生成的光脉冲，并且使用至少一个光学构件将所生成的光脉冲朝向目标聚焦。
可选地，传感器元件还包括在不同空间区域中的每个空间区域中的多个像素，并且其中，在每个空间区域中的多个像素接收色散辐射的分离波长，并且测量与色散辐射的每个波长相关联的光强度的量。进一步可选地，当传感器元件接收到色散辐射时，传感器元件在预定的时间段内保持“导通状态”。可选地，测量时间分辨光谱的方法是指测量时间门控拉曼光谱。进一步可选地，使用激光器生成光脉冲。
附图的详细描述
参照图1，示出了根据本公开的实施例的用于测量时间门控拉曼光谱的装置100的框图。用于测量时间门控拉曼光谱的装置100(作为测量时间分辨光谱的具体示例)包括：用于生成光脉冲的光源102。装置100还包括：第一光纤104，用于向来自光源102的所生成的光脉冲提供光路。此外，装置100包括光学构件106，用于聚集来自第一光纤104的所生成的光脉冲，并将所聚集的光脉冲108朝向目标110聚焦。此外，装置100包括：光学器件112，例如用于采集所发射的光辐射的透镜，所发射的光辐射包括由目标110发射的所发射的拉曼散射光114；和第二光纤116，用于将光辐射导向传感器布置118。此外，装置100包括控制器120，其可操作地耦接到光源102和传感器布置118。该控制器120被操作以采集与由传感器布置118测量的与色散辐射122的每个波长相关联的光强度的量，以形成时间门控拉曼光谱。
参照图2，示出了根据本公开的实施例的在图1所示的用于测量时间门控拉曼光谱的装置100中实现的传感器布置200的示意图。第二光纤202向所发射的光辐射204提供光路。所发射的光辐射204被准直元件206接收以准直所发射的光辐射204。准直后的所发射的光辐射210的第一部分208的光路上被设置有光学延迟元件212和光学延迟元件214，以向第一部分208提供时间延迟。准直后的所发射的光辐射210的第二部分216绕过(即不经过)光学延迟元件212和214。延迟后的第一部分218以及第二部分216同时被光谱色散器220所接收，使得延迟后的第一部分218以及第二部分216可以通过包括具有第一波长的第一光谱分量222和具有第二波长的第二光谱分量224的色散辐射的形式一致地离开光谱色散器220。传感器元件226通过预定延迟接收色散辐射。控制器228接收与色散辐射相关联的测量光谱值。此外，准直后的所发射的光辐射209的第三部分被设置有光学延迟元件214以形成第三延迟部分219。
参照图3，示出了根据本公开的实施例的布置300的示意图，该布置300描绘了当穿过衍射光栅304时，光辐射302的准直光束被分离为色散辐射。所采集的光辐射306经由输入狭缝308被光谱仪接收。通过使所发射的光辐射306穿过准直元件310准直所发射的光辐射306。此外，准直后的所发射的光辐射302穿过衍射光栅304，以使得可以将准直后的所发射的光辐射302分离为色散辐射。如图所示，在传感器元件314的一个空间区域上接收光谱分量312，而在传感器元件314的另一个空间区域中接收光谱分量316，以形成时间门控拉曼光谱。
参考图4A-图4B，示出了根据本公开的实施例的采用了光透射分割的布置400A和400B的示意图，其中，包括作为玻璃块的光学延迟元件402、404和406。所采集的发射的光辐射408经由代表光谱仪的输入狭缝的孔径410而被接收。从准直元件414接收到的准直的光辐射412被分为三部分，即下部416、中部418和上部(未示出)。下部416和中部418对应于准直的光辐射412的第一部分，而上部对应于准直的光辐射412的第二部分。如图4A所示，下部416的光路包括两个连续的光学延迟元件402和404，其被结合为玻璃块以向下部416提供时间延迟。如图4B所示，中部418的光路包括结合为玻璃块的一个光学延迟元件406，以向中部418提供时间延迟。应当理解，下部416的光路小于中部418的光路，因此，下部416将被提供比中间部418更多的时间延迟。光学延迟元件402、404和406的这种布置400A和400B使得延迟后的第一部分以及第二部分可以以适当的相对延迟被衍射光栅420所接收。延迟后的第一部分以及第二部分以这样的相对延迟被衍射光栅420接收，使得延迟后的第一部分以及第二部分在离开衍射光栅420之后以预定的相对延迟行进。在同一图中，还示出了包括在预定的相对延迟中的具有第一波长的第一光谱分量422和具有第二波长的第二光谱分量424的色散辐射的两个示例部分。色散辐射以预定的延迟被传感器元件426所接收，以通过控制传感器元件来测量时间分辨光谱。
参考图5A-图5B中，示出了根据本公开的实施例的采用了光透射分割的布置500A和500B的示意图，其中包括作为反射镜502、504和506的光学延迟元件。如图5A所示，三个反射镜502、504和506被设置在准直后的所发射的光辐射的第一部分508的光路中。反射镜502、504和506的布置500A使得反射镜502、504和506可以代表道威棱镜的纯反射等效物。采用这种布置500A使得第一部分508的一部分可以具有比第一部分508的另一部分更少的光路，以实现更多的时间延迟，诸如以被传感器元件一致地接收。如图5B所示，三个反射镜502、504和506被设置在准直后的所发射的光辐射的第一部分508的光路中。反射镜502、504和506的布置500B使得反射镜502、504和506可以提供道威棱镜和折叠反射镜的等效效果。此外，反射镜504和506形成为五棱镜的反射等效物。
参照图6，示出了根据本公开的实施例的采用了光反射分割的布置600的示意图。如图所示，在准直后的所发射的光辐射的光路中放置一系列呈梯形结构的反射镜602。准直后的所发射的光辐射的第一部分604到达一系列反射镜602中的每一个反射镜并且朝向衍射光栅606反射。这种反射镜602向准直光辐射的第一部分604提供时间延迟。因此，延迟后的第一部分以及第二部分(未示出)一致地离开衍射光栅606。因此，色散辐射的光谱分量608和610一致地到达传感器元件612。
参考图7A-7C中，示出了根据本公开的实施例的采用了分光分割的布置700A-700C的示意图。如图7A所示，布置700A包括两个反射镜702和704，例如将入射的准直光辐射706分成两部分的平面镜。分离的准直光辐射的第一部分708由第一衍射光栅710接收，而分离的准直光辐射的第二部分712由第二衍射光栅714接收。这种复制“云杉”设计的布置700A将时间展宽减半，同时保持了波长分辨率不受影响。如图7B所示，布置700B包括一系列反射表面，例如反射镜716。这种布置700B需要四个单独的衍射光栅718、720、722和724，因此需要四个传感器元件(未示出)。如图7C所示，布置700C包括六个反射镜728、730、732、734、736和738。两个反射镜728和730被设置为将准直后的所发射的光辐射(未示出)分成两部分。此外，通过使用一侧的反射镜732和734以及另一侧的反射镜736和738，将分离的准直后的所发射的光辐射的每一部分进一步分为两部分。此外，采用四个衍射光栅(例如图7B中的衍射光栅718、720、722和724)以接收四个部分的准直后的所发射的光辐射。值得注意的是，对于这种包括四个衍射光栅(例如图7B的衍射光栅718、720、722和724)的布置700C，需要四个传感器元件(未示出)来测量与色散辐射相关的光强度。
图8A和8B示出了使用曲率半径为r1的第一球面镜802和曲率半径为r2的第二球面镜804作为光学延迟元件的布置。图8A为从布置的侧面看的视图，图8B是从布置的A-A方向上看的视图。所采集的光辐射经由狭缝810被接收。从狭缝810输入的所发射的光辐射为发散光束。所发射的光辐射的第一部分816(在附图中用实线标记)在从输入狭缝810经由第一反射镜802行进到输出822时，行进了2xr1的光长度。而第二部分818(在附图中用虚线标记)从输入狭缝810经由反射镜804行进了2xr2的光学长度而到达输出822。第一球面镜802和第二球面镜804具有共同的曲率中心点820。例如，如果r1为30cm，r2为15cm，则第一部分和第二部分之间的光延迟为(30x2-15x2)cm/(3x10^8m/s)＝1ns。
在不背离由所附权利要求所限定的本公开的范围的情况下，可以对上述公开的实施例进行修改。诸如“包含”、“包括”、“结合”、“具有”等表述被用于描述，并且本发明的权利要求旨在以非排他的方式解释，即允许也未明确描述的项目、组件或元件存在。对单数的参考也被解释为与复数有关。

Claims (19)

1.一种用于测量时间门控拉曼光谱的装置(100)，所述装置(100)包括：
光源(102)，用于生成导向目标(110)的光脉冲，其中，所述目标随后将发射包括至少第一部分(208、508、604)和第二部分(216)的光辐射；
传感器布置(118、200)，用于测量所述光辐射的强度；以及
控制器(120、228)，可操作地耦接到所述光源(102)和所述传感器布置；
其中，所述传感器布置，包括：
至少一个光学延迟元件(212、214、402、404、406)，用于向所发射的光辐射(210、302、412、706)的第一部分(208、508、604)提供时间延迟，其中，所发射的光辐射的第二部分(216)绕过所述至少一个光学延迟元件；
光谱色散器(220)，用于将所发射的光辐射的延迟后的第一部分以及所发射的光辐射的第二部分色散为具有多个波长的色散辐射，其中，所述色散辐射(122)的每个波长被分成角度不同的方向，并且其中，每个部分的所述色散辐射以预定的相对延迟离开所述光谱色散器；以及
传感器元件(226、314、426、612)，被配置为在所述传感器元件的不同空间区域上接收所述色散辐射的每个波长，并且测量与所述色散辐射的每个波长相关联的光强度；以及
其中，所述控制器被操作以记录与由所述传感器元件测量的与所述色散辐射的每个波长相关联的所测量的光强度，以形成时间分辨光谱。
2.根据权利要求1所述的装置(100)，其中，用于测量所述时间分辨光谱的所述装置还包括：第一光纤(104)，用于将所生成的光脉冲从所述光源(102)导向所述目标(110)；以及，第二光纤(116、202)，用于将所发射的光辐射(204、210、302、412、706)导向所述光谱色散器(220)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其中，用于测量时间分辨光谱的所述装置还包括：至少一个光学构件(106)，用于聚集来自于所述光源(102)的所生成的光脉冲，并且将所生成的光脉冲朝向所述目标(110)聚焦。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其中，所述至少一个光学延迟元件(212、214、402、404、406)包括以下至少之一：自由空间长度、由玻璃制成的棱镜、由玻璃制成的长方体、由玻璃制成的道威棱镜、由玻璃制成的五棱镜、由晶体材料制成的棱镜、由晶体材料制成的长方体、由晶体材料制成的道威棱镜、由晶体材料制成的五棱镜、反射镜布置、透镜、光纤。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其中，至少所发射的光辐射的第一部分被设置为多次通过至少一个光学延迟元件。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其中，所述光谱色散器(220)包括以下至少之一：衍射光栅(304、420、606、710、714、718、720、722、724)、棱镜、法布里-珀罗标准具。
7.根据权利要求6所述的装置(100)，其中，所述光谱色散器(220)包括：衍射光栅(304、420、606、710、714、718、720、722、724)，并且，所发射的光辐射的延迟后的第一部分和所发射的光辐射的第二部分被配置为通过采用所述衍射光栅的所述光谱色散器被导向所述传感器元件(226、314、426、612)，所述衍射光栅使用以下至少之一：光透射分割、光反射分割、分光分割。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其中，所述传感器元件(226、314、426、612)还包括：位于所述不同空间区域中的每个空间区域上的多个像素，并且其中，位于所述空间区域中的每个空间区域上的所述多个像素被配置为接收所述色散辐射的分离的波长，并且测量与所述色散辐射的每个波长相关联的光强度。
9.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其中，当所述传感器元件接收到所述色散辐射时，所述传感器元件(226、314、426、612)被操作以在预定时间段内处于“导通状态”。
10.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，还包括：至少一个准直元件(206、310、414)，用于准直从所述目标处接收的光辐射，所述至少一个准直元件被设置在所述目标和所述至少一个延迟元件之间的光路上。
11.根据权利要求1至9中任一项所述的装置(100)，还包括至少一个准直元件(206、310、414)，用于准直从所述目标处接收的光辐射，所述至少一个准直元件被设置在所述至少一个延迟元件和所述传感器元件之间的光路上。
12.根据权利要求10或11所述的装置(100)，其中，所述至少一个准直元件包括以下至少之一：透镜布置、反射镜布置、经由针孔或狭缝结合的孔径(308，410)、光波导。
13.根据前述权利要求中任一项所述的装置(100)，其中，所述光源(102)为激光器。
14.一种用于测量时间门控拉曼光谱的方法，其中，所述方法包括：
生成导向目标(110)的光脉冲，其中，所述目标随后将发射包括至少第一部分(208、508、604)和第二部分(216)的光辐射；
向所发射的光辐射(210、302、412、706)的第一部分(208、508、604)提供时间延迟，其中，所发射的光辐射的第二部分(216)绕过至少一个光学延迟元件(212、214、402、404、406)；
将所发射的光辐射的延迟后的第一部分和所发射的光辐射的第二部分色散成具有多个波长的色散辐射，其中，所述色散辐射(122)的每个波长被分成角度不同的方向，并且其中，每个部分的所述色散辐射以预定的相对延迟离开所述光谱色散器(220)；以及
在传感器元件的不同空间区域中接收所述色散辐射的每个波长，并且测量与所述色散辐射的每个波长相关联的光强度；以及
记录与由所述传感器元件(226、314、426、612)测量的与所述色散辐射的每个波长相关联的所测量光强度，以形成时间分辨光谱。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，用于测量所述时间分辨光谱的所述方法还包括：使用第一光纤(104)将所生成的光脉冲从所述光源(102)导向所述目标(110)，以及使用第二光纤(116、202)将所发射的光辐射(204、210、302、412、706)导向所述光谱色散器(220)。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中，用于测量所述时间分辨光谱的所述方法还包括：聚集来自于所述光源(102)的所生成的光脉冲，并且使用至少一个光学构件(106)将所生成的光脉冲朝向所述目标(110)聚焦。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，其中，所述传感器元件(226、314、426、612)还包括：位于所述不同空间区域中的每个空间区域上的多个像素，并且其中，位于所述空间区域中的所述每个空间区域上的所述多个像素接收所述色散辐射的分离的波长，并且测量与所述色散辐射的每个波长相关联的光强度。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，其中，当所述传感器元件接收到所述色散辐射时，所述传感器元件(226、314、426、612)在预定时间段内处于“导通状态”。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，还包括准直所述光辐射。
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