CN115855252B - 一种单光子灵敏度超快光谱测量及光谱成像装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光谱测量及成像领域，提供了一种光谱测量和成像装置及方法，其中装置包括：激光激发模块、光谱信号收集模块、光谱仪分光模块、光纤阵列延时模块、光电探测模块；所述光谱仪分光模块将所述收集模块所收集的第一光谱信号按照波长在空间上分开，将不同波长的光子耦合进入光纤阵列的不同光纤里形成第二光谱信号；所述第二光谱信号中不同波长光子在光纤阵列的不同长度的光纤里传播，延时不同时间，并按时间顺序形成第三光谱信号；所述第三光谱信号中不同波长光子按时间顺序进行光电探测，实现光谱测量。该光谱测量及成像技术，不仅在时间分辨率方面，而且在光谱范围、信号动态范围、光谱成像速度以及灵敏度方面，都会有极大提升。
Description
技术领域：
本发明属于光谱测量及成像领域，具体地，涉及一种单光子灵敏度超快光谱测量、光谱成像装置及方法。
背景技术：
光谱和基于光谱的成像技术，在物理、生物、化学、材料、医学等众多领域以及工业生产中具有重要的应用价值。光谱主要测量光信号中涵盖的各种光子的能量、波长或者波数的分布和相对强度。光谱涵盖的内容十分广泛，包括荧光光谱、拉曼光谱、反斯托克斯光谱、受激拉曼光谱、吸收光谱、激光诱导击穿(LI BS)光谱以及其它光谱。其中荧光光谱通常涉及原子和分子的电子态跃迁，光谱线宽较宽，一般为10-100nm量级。物理和化学领域通过荧光光谱研究原子和分子的能级结构，生物研究领域利用外源或内源的荧光光谱可以对细胞、组织及其它生命体系进行特异性荧光标记，并实现荧光成像。与分子振动态跃迁对应的拉曼光谱(Raman spectroscopy)是一种基于分子振动和光散射的光谱技术。拉曼散射(Raman scatter ing)最早来源于印度物理学家C.V.Raman在1928年发现的拉曼散射效应。当用入射光照射样品时，入射光的光子与介质分子发生非弹性碰撞，致使入射光子将一部分能量转移至介质分子或吸收介质分子的一部分能量，从而使散射光子的频率发生变化。因此通过对比拉曼光谱所反映的分子振动信息即可获得样品的化学成分。拉曼光谱又称为拉曼指纹谱，涉及分子中更精细的振动态之间的跃迁，光谱线宽进一步提升到0.1-1nm量级，利用拉曼光谱可以对各种生物组织和材料进行分子识别和成像。
此外，各种吸收光谱也同样可以利用电子态、振动态、转动态等发生的吸收跃迁，用于化学分子的识别；而激光诱导击穿光谱则是激光诱导的等离子体发射光谱，可以用于分析样品内的元素成分。在各种光谱的检测中，即使是量子发射效率接近1的荧光光谱也需要灵敏度优良的光谱仪对光谱信号进行提取和分析。尤其是自发拉曼光谱，虽然具有非常优异的分子特异性和化学选择性，应用广泛，但是拉曼散射是一个极其微弱的过程，通常情况下发生的概率小于1/107。因此自发拉曼的积分和采集时间往往长达数秒或者更长时间。表面增强拉曼(Surface-enhanced Raman scattering，SERS)使用纳米金和纳米银衬底，可以通过表面等离子极大地增强拉曼散射信号，但需要繁琐的样品制备，要做到原位的拉曼光谱测量非常困难。相干拉曼散射包括相干反斯托克斯散射(Coherent anti-Stokesscattering,CARS)和受激拉曼散射(Stimulated Raman scattering,SRS)，其拉曼信号强度比普通的拉曼信号高3-7个数量级，因此CARS和SRS被广泛应用于无标记的生物成像领域。但是无论SRS还是CARS系统都要使用双波长飞秒激光系统，且光路非常复杂，无法广泛应用。
目前，以上描述的光谱技术和其它涉及光谱分析的技术都需要光谱仪。而目前光谱仪大多仍然采用电荷耦合器件(Charge-coupled device，CCD)、CMOS(Complementarymetal oxide semiconductor)等面阵光电探测器采集由光栅实施空间色散后的光谱。但是，这些面阵相机在光子-电子转换和电荷-电压放大的两个阶段，仍然会受到破坏性读出噪声(Reading noise,RN)的影响，从而限制了信噪比(Signal to noise ratio,SNR)和光谱采集速度。为了提高灵敏度，深度制冷相机可进一步降低电子噪声，但体积过大，系统复杂，光谱采集速度也慢。在非常弱的光谱信号水平下，具有超高增益放大率的增强型CCD(Intensified CCD,ICCD)和电子倍增CCD(Electron multiplying CCD，EMCCD)相机通过放大信号以抑制固有的读出噪声，已经在信噪比方面大大优于CCD。同时，ICCD和EMCCD的读出速度可高达44kHz，比扫描CCD快约100倍。尽管如此，ICCD和EMCCD仍没有达到探测灵敏度的极限，而且动态范围很低，极易出现信号饱和的情况。最新发展的光电倍增管(Photomultiplier tube,PMT)阵列和单光子雪崩二极管(Single-photon avalanchediodes，SPAD)阵列虽然提升了光谱检测灵敏度，且同时将光谱采集速度提高到了kHz左右，但是光谱的动态范围也低，只能对微弱光谱信号进行探测，容易饱和。
因此目前主流的光谱仪仍然存在光检测灵敏度低、采谱速度慢等缺陷。为此，本发明使用光纤阵列对光谱中不同波长进行延时，并采用单通道硅光电倍增管(Siliconphotomultiplier，SiPM)代替面阵相机作为探测器，对时间上延时到来的光谱依次进行单光子计数检测，从而同时实现单光子探测灵敏度和MHz或者更快的光谱采集速度。
发明内容：
本发明提出了一种单光子灵敏度超快光谱测量及光谱成像装置及方法，具体地，使用单光子探测器实现MHz光谱采集速度的超快超灵敏光谱测量和光谱成像技术。本发明适用于荧光光谱、拉曼光谱、反斯托克斯光谱、受激拉曼光谱、吸收光谱、激光诱导击穿(Laser induced breakdown spectroscopy，LIBS)光谱，以及其它光谱的测量和光谱成像。
本发明为了解决现有光谱技术中存在的问题，旨在全面提高光谱测量速度、光谱测量灵敏度、光谱覆盖范围、光谱信号的动态范围、光谱成像速度和时间分辨率。
为此，本发明提供一种小型化超快单光子灵敏度单波段光谱测量装置，所述装置包括激光激发模块、光谱信号收集模块、光谱仪分光模块、光纤阵列延时模块、光电探测模块；其中：激光激发模块，在所述模块中，激光激发被测样品产生第一光谱信号；光谱信号收集模块，所述模块采用收集光纤收集所述第一光谱信号；光谱仪分光模块，所述模块将所述第一光谱信号按照波长在空间上分开，将不同波长的光子耦合进入光纤阵列的不同光纤里形成第二光谱信号；光纤阵列延时模块，所述第二光谱信号中不同波长光子在光纤阵列的不同长度的光纤里传播，延时不同时间，并按时间顺序形成第三光谱信号；
光电探测模块，所述模块对所述第三光谱信号中不同波长光子按时间顺序进行光电探测，实现光谱测量。
本发明还提供一种小型化超快单光子灵敏度全波段光谱测量装置，所述装置包括激光激发模块、光谱信号收集模块、光谱仪分光模块、光纤阵列延时模块、光电探测模块；其中：激光激发模块，在所述模块中，激光激发被测样品产生第一光谱信号；光谱信号收集模块，所述模块收集所述第一光谱信号，并将其分割成两个及以上数量的单波段分别耦合进入不同长度收集光纤进行延时，使不同波段的光子在时间上分开；光谱仪分光模块，所述模块将所述第一光谱信号中各个单波段光谱按照波长在空间上分开，并将各单波段里不同波长的光子耦合进入光纤阵列的不同光纤里形成第二光谱信号；光纤阵列延时模块，所述第二光谱信号的每一个单波段中不同波长光子在光纤阵列的不同长度的光纤里传播，延时不同时间，并按时间顺序形成第三光谱信号；光电探测模块，所述模块对所述第三光谱信号中不同波长光子按时间顺序进行光电探测，实现全波段光谱测量。
进一步地，所述光谱测量装置与激光扫描或样品位移装置联合可以实现高速光谱成像功能。
进一步地，所述激光激发模块采用脉冲激光。
进一步地，所述光谱信号收集模块使用多模光纤进行信号光谱收集；所述光纤阵列延时模块采用多模光纤阵列实现不同波长光子的不同延时。
进一步地，所述多模光纤采用大芯径多模光纤，用以提高光谱信号收集效率、减少信号光损失、保证光谱分辨率和系统灵敏度。
进一步地，所述光纤阵列有两端，前端为光纤阵列端，后端为光纤束端；在光纤阵列端，所有光纤紧密排列成一维光纤阵列，所述光谱仪分光模块中被光栅色散开的光谱从光纤阵列端进入；在光纤束端，所有光纤约束成紧密排列的一束，以保证信号光子从光纤束端全部出射进入光电探测器进行探测。
进一步地，所述光纤阵列延时模块具有两套及以上光纤阵列，它们的信号光子输出至两个及以上的光电探测器进行探测，以获得更大的光谱范围。
进一步地，所述各个光波段收集光纤的光出口与所述光纤阵列端集成在一处，分布在光纤阵列端的上面、下面或者两侧，或者同一行中，使光谱仪更加小型化，并减小光谱仪的各种光学畸变。
进一步地，所述收集光纤为三根，所述三根收集光纤的出口与光纤阵列端共同排成一行，并相对间隔一个光纤阵列的距离，其中第一根收集光纤的出口置于光纤阵列端的左侧，第二根光纤的出口置于光纤阵列端的右侧，第三根与第二根光纤间隔一个光纤阵列的距离。
进一步地，所述光谱仪分光模块采用反射式光栅；收集光纤出口光的准直与光栅衍射光的聚焦共用一个透镜。
进一步地，所述光电探测模块为单光子探测器。
进一步地，所述光电探测模块为硅光电倍增管或SiPM或雪崩二极管阵列或其它单光子探测器阵列，以避开死区时间，提高灵敏度。
进一步地，所述光谱仪分光模块内的光栅可进一步采用凹面聚焦反射式光栅，省去一个准直聚焦透镜，使光谱仪尺寸更小，更具小型化。
进一步地，所述光谱为拉曼光谱、吸收光谱、荧光光谱、LIBS
光谱、反斯托克斯光谱或其它光谱。
进一步地，还包括信号采集模块，所述模块包括信号放大器和高速采集卡。
本发明还提供一种超快单光子光谱测量方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：S1)激光激发被测样品获得第一光谱信号；
S2)收集所述第一光谱信号，并将其分割成一个、两个或两个以上数量的单波段分别耦合进入一根、两根或两根以上不同长度收集光纤，进行延时，使不同波段的光子在时间上分开；S3)将所述第一光谱信号中各个单波段光谱按照波长在空间上分开，将各单波段里不同波长的光子耦合进入光纤阵列的不同光纤里形成第二光谱信号；S4)将所述第二光谱信号的每一个单波段中不同波长光子在不同长度的光纤里传播，延时不同时间，并将不同波长的光子按时间顺序形成第三光谱信号；S5)对所述第三光谱信号中不同波长光子按时间顺序进行光电探测，实现全波段光谱测量。
本发明的有益效果为：
从原理上，本发明使用光纤阵列代替传统光谱仪中CCD相机阵列。传统光谱仪将波长在空间上分开探测，本发明应用光纤阵列中不同长度的光纤延时光谱中不同波长的光，将光谱在时间域中拉开，然后再通过高动态范围的单光子探测器按时间顺序检测各波长光信号。其方法是应用脉冲激光器，在不到1ns的时间内对样品进行激光激发，并在脉冲之间的间隔时间里进行光谱检测。该策略、方法和系统不仅实现了MHz以上的光谱探测速度，还同时具备单光子检测灵敏度、散粒噪声极限、宽光谱范围、高的光通量(大芯径多模光纤)、瞬时脉冲光谱采集、超强适应的动态范围(包括强荧光信号及弱拉曼散射信号)以及高速的光谱成像能力。
具体来说，本发明的技术优越性在于具有以下重要特征：
1、在光谱测量速度和时间分辨率方面，本发明具有MHz以上超快的采谱速度和时间分辨率，能够在每微秒或者更短的时间内以单光子灵敏度获取光谱，并且具有高动态范围、全光谱范围的特点，可进行长时间连续不断的采集。
2、在灵敏度方面，本发明使用多模光纤将光的传输损失降低到了最低极限，能够收集所有珍贵的信号光子。本发明可以在一秒钟内记录100万条或更多拉曼光谱，其中光谱测量采用单光子光电探测器，逐个对信号光子进行计数。因为单光子探测的优越性，该光谱测量系统不受读出噪声的影响，也基本消除了电子热噪声、电噪声及其它噪声对光谱探测的影响，达到散粒噪声(Shot noise)极限，其检测灵敏度可以超过基于深度制冷CCD的商用共焦拉曼光谱。在极微弱光探测时仍具有较高的信噪比，非常适合光信号极低的应用，包括单分子识别、追踪和快速成像。
3、在光谱范围方面，本发明另一个重要优势是仅使用单通道探测器即可实现全光谱的探测。本发明为了能够在同一次激光激发时间内覆盖非常宽的光谱范围，使用二色向镜滤光片将大范围光谱分割成多个波段，通过脉冲间隔内延时复用方法，大大增加光谱范围，且不浪费激光激发光子数和积分时间。以拉曼光谱为例，现有拉曼光谱仪的光谱范围通常只能覆盖单个波段约1200cm-1。本发明可同时覆盖3500cm-1以上拉曼光谱，包括指纹区(300-1800cm-1)、静默区(1800-2700cm-1)、碳氢C-H2/C-H3区(2700-3100cm-1)和水峰O-H(3100-3800cm-1)区域全波段约3500cm-1或更宽广的光谱带。这意味着本发明可以实现每一次脉冲激光激发后的全波段光谱探测。
4、本发明创造性地提出了新的光谱仪构架，抛弃基于CCD阵列的光谱仪的传统结构，系统只用一个单通道光电探测器替代多像素的CCD相机。此外输入的拉曼光子通过消色差透镜进行准直，然后通过反射光栅进行反射式衍射，最后光子重聚输入光纤下方的一维光纤阵列进行延时，整个光谱仪结构简单、可靠性高，极易进一步实现小型化。
5、在信号的动态范围方面。本系统采用大芯径多模光纤，具有好的散射光子收集能力，并采用单光子探测以最高的灵敏度、速度、动态范围对它们进行检测。对于极弱的光谱信号，本系统都可在单光子探测模式下光谱测量。对于强的光谱信号，例如高浓度的R6G(Rhodamine 6G)，信号仍然能够被全部记录，没有饱和。
6、拉曼光谱成像。因为本系统在光谱测量速度和灵敏度的巨大提升，所以结合激光扫描等技术，高时间和空间分辨的拉曼光谱成像成为可能，使拉曼成像可以更加广泛应用于化学、生物、新材料等各个方面。
本发明探索单通道单脉冲超快光谱测量及成像技术，不仅在时间分辨率方面达到纳秒级，而且其探测灵敏度也达到了理论极限，而且打破了传统光谱仪长期以来在光谱范围和动态范围方面的限制。
说明书附图：
图1为本发明中的光谱测量原理图；
图2为本发明实施例一中超快单光子灵敏度光谱测量和光谱成像装置示意图；
图3为本发明实施例一中的光纤阵列两端示意图，其中图3a为光纤阵列端，图3b为光纤束端；
图4为本发明实施例二中全波段超快单光子灵敏度光谱测量和成像装置示意图；
图5为本发明实施例二中的光纤阵列两端示意图，其中图5a为光纤阵列端，
图5b为光纤束端；
图6为本发明中光谱测量方法框图；
图7为本发明在MHz采谱速率下获取的DMSO纯样的拉曼光谱；
图8为本发明实现的DMSO液滴与空气边界的拉曼光谱成像，图8a为高光谱图像，图8b为A、B、C三处取出的3条拉曼光谱；
图9为本发明对培养的细胞实现的高速光谱成像图，图9a为高光谱图像，图9b为从A、B、C三处获取的3条拉曼光谱。
主要元件附图标记说明：101-激光器；102，202，220-二向色镜；103-二维振镜；104-4f共轭透镜系统；105-显微物镜；106-样品；107-反射镜；108-滤光片组合；109，209-聚焦透镜；110,210,310-光纤；111-光栅；301,302-光纤阵列端
具体实施例：
为了更好的理解本发明的技术方案，本发明内容包括但不限于下文中的具体实施方式，相似的技术和方法都应该视为本发明保护的范畴之内。为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
应当明确，本发明所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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它实施例，都属于本发明保护的范围。
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。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明提出了一种使用单光子探测器实现MHz光谱采集速度的超快超灵敏拉曼光谱测量；在此基础上进一步采用二维振镜，通过逐点激光扫描的方式，获取样品的光谱图像信息，即在图像的每个像素点上能快速获得光谱信息，实现光谱成像。
下面结合附图与两个实施例对本发明作进一步说明。
[实施例一]：
参见图1，为本发明的光谱测量原理图，其中：001表示激光脉冲能量在时间域上的分布，其中Te表示脉宽为0.5纳秒的激光脉冲；002表示脉冲激光激发样品产生的瞬时光谱信号；003表示光谱信号002中不同波长的光在时间上延迟Δti，得到可按时间顺序(即波长顺序)测量的光谱，其中Td表示激光脉冲之间的间隔时间大约999.5纳秒作为光谱的测量时间。003在概念中展示了本发明能够在单脉冲周期内，快速测量光谱的能力，即激光脉冲激发样品产生光谱之后与下一个激光脉冲到来之间的时间用于光谱测量。例如在1微秒内获得光谱，在下1微秒获得变化的光谱，并以MHz以上的速率获得不断更新的光谱。本发明以拉曼光谱为例，本实施例的方案采用脉冲激光激发样品，产生光谱信号，再用光纤阵列延时光谱中不同波长的光，将光谱在时间域中拉开，最后通过高动态范围的单光子灵敏度的光电探测器检测光谱序列中按时间和波长顺序到来的所有光子，实现超快超灵敏光谱的测量。
参见图2，为本发明实施例一的超快单光子灵敏度光谱测量和光谱成像装置，其中包括1、激光激发模块；2、光谱信号收集模块；3、光谱仪分光模块；4、光纤阵列延时模块；5、光电探测模块；6、信号采集模块；7、电源及程序控制模块。其中：
1、激光激发模块，所述激光激发模块1包括激光器101、二向色镜102、(二维)振镜103、4f共轭透镜系统104、显微物镜105、以及样品106。
本实施例采用一台波长为532nm，光谱线宽为0.1nm，脉宽为0.5ns，重复频率为1MHz(即脉冲间隔为1μs)的纳秒脉冲激光器101发出脉冲稳定的脉冲激光；激光器101发出的激光先经过分光镜，采用540nm长通短反二向色镜(Dichroic mirror，DM)102将激光反射进入显微镜系统。显微镜系统包括二维振镜103实现快速精确的二维激光扫描，通过4f共轭透镜系统104(第一透镜的焦距为f1＝100mm和第二扫描透镜焦距为f2＝200mm)将532nm激光投射进入显微物镜105，并聚焦在样品106上产生拉曼光谱。拉曼散射光子波长比激发光更长，被物镜105收集后，通过振镜退扫描返回并透过二向色镜102，进入光谱信号收集模块2。
2、光谱信号收集模块，本实施例中所述光谱信号收集模块2包括反射镜107、滤光片组合108、聚焦透镜109、以及光纤110，如图2所示。
在本实施例中，激发光谱信号首先经过反射镜107，并通过滤光片组合108中532nm陷波滤光片有效去除532nm激发光光子，再通过540nm长通滤光片，只让想要测量的拉曼散射光谱通过；最后用聚焦透镜109，将所有拉曼光子聚焦进入光纤110进行传输。光纤110可以是单模光纤、多模光纤、光纤束或其它种类的光纤。采用大芯径多模光纤更有利于增加拉曼光谱的收集效率。
3、光谱仪分光模块，从所述光谱信号收集模块而来的单根光纤110将拉曼光谱引导进入光谱仪分光模块3，且光纤110出口放置在紧密排列的一维光纤阵列端301的中心位置下方(参见图3a)或者上方。拉曼光子经过透镜209准直后，传播至反射式光栅111(可消除光学畸变和实现小型化)；光栅111将光谱中不同波长的光子在空间上按不同的角度色散开，并返回透镜209；不同波长成分的光经过透镜209后被分别聚焦进入光纤阵列端301。在此实施例中光纤阵列端紧密排列着120根多模光纤。该模块3的作用在于将输入的拉曼光子按波长在空间上分散开，并按波长顺序耦合进入不同长度的光纤中，即光纤阵列延时模块4。
4、光纤阵列延时模块，在本实施例中，所述光纤阵列延时模块4中包括120根具有等差数列不同长度的光纤排列成光纤阵列。参见图3a，光纤阵列的输入端为按顺序紧密排列的一维光纤阵列，称为光纤阵列端301；光纤阵列的输出端将所有光纤排列成束，称为光纤束端(参见图3b)。在该实施例中，光纤阵列中光纤的长度为等差序列，每根光纤的长度按序都比前一根光纤增加0.5米(例如第一根光纤为0.5米，第二根为1米，第三根为1.5米，依次类推，第120根为60米)。光谱仪分光模块3得到的不同波长的光子按波长顺序进入光纤阵列端301。由于光纤的长度不同，因此不同波长的光子经过不同长度光纤的延时后，按波长顺序在时间上先后达到探测器。光纤束端将所有光纤排列成圆形或其它形状聚集成束，以便将拉曼光子输出到同一个单光子探测器上，实现光谱的探测。因为光纤长度间隔0.5m，即会产生2.5ns的相对延时(光纤的折射率n约为1.5)，因此共可以探测约300ns时间范围的光子信号。
该模块4能将不同波长的光子按顺序分开，将光谱信号重新排序后输送至探测器。从原理上说，延时色散也可以通过单根光纤实现。但采用单根光纤延时，为达到同等的色散延时，光纤的长度可能需达到10-100km以上。虽然单模光纤可以长距离传输光子，但通光芯径太小，导致光谱仪的收集能力变差很多。也有方案采用一对有微小夹角的反射镜进行延时，但要进行较大波长范围的延时，需要拉曼光子在两个反射镜间进行数百次反射才能达到类似延时色散效果，此法不仅光的损耗大，而且系统复杂、稳定性差。
5、光电探测模块，参见图2，本实施例的光电探测模块5使用了一个硅光电倍增管(SiPM)单探头作为探测器。SiPM探测器对每一个由光纤阵列延时模块而来的光子进行单光子探测。
6、信号采集模块，在实施例中，该信号采集模块6由一个单光子信号高速放大器和高速模拟信号采集卡构成。光电探测模块5产生的光子电信号先经由信号放大器放大，再通过高速采集卡采集。
7、电源及程序控制模块，在本实施例中，该电源及程序控制模块7包括电源、信号发生器以及控制器，为激光激发模块、光电探测模块、信号采集模块提供电源与控制。
[实施例二]：
如图4所示，为了实现更宽广的光谱范围的同时采集，进一步扩展测量的光谱范围，在本发明的实施例二超快单光子灵敏度全波段光谱测量和光谱成像装置，主要包括：1、激光激发模块；2、光谱信号收集模块；3、光谱仪分光模块；4、光纤阵列延时模块；5、光电探测模块；6、信号采集模块；7、电源及程序控制模块。其中：
1、激光激发模块，所述激光激发模块1包括激光器101、二向色镜102、(二维)振镜103、4f透镜系统104、显微物镜105、以及样品106。
本实施例采用一台波长为532nm，光谱线宽为0.1nm，脉宽为0.5ns，重复频率为1MHz(即脉冲间隔为1μs)的纳秒脉冲激光器101发出脉冲稳定的脉冲激光；激光器101发出的激光先经过分光镜，采用540nm长通短反二向色镜(DM)102将激光反射进入显微镜系统。显微镜系统包括二维振镜103实现快速精确的二维激光扫描，通过4f共轭透镜系统104(第一透镜的焦距为f1＝100mm和第二扫描透镜焦距为f2＝200mm)将532nm激光投射进入显微物镜105，并聚焦在样品106上产生拉曼光谱。拉曼散射光子波长比激发光更长，被物镜105收集后，通过振镜退扫描返回并透过二向色镜102，进入光谱信号收集模块2。
2、光谱信号收集模块，如图4所示，光谱信号收集模块2包括滤光片组合108、还包括二向色镜202，220、反射镜107、多模光纤110，210，310，以及相应的聚焦透镜109(三个)。在该光谱信号收集模块2中，利用两个或者多个二向色镜将拉曼光谱信号光分割成两个或多个不同波段后，分别通过各自的透镜耦合进入两根或多根多模光纤。每根多模光纤传输一个波段。在此实施例二中，光谱信号被分割成三个波段。其中，第一个二向色镜使用605nm长通，则第一个光谱波段大致为540-605nm；第二个二向色镜使用650nm长通，则第二个光谱波段大致为605-650nm；剩下的则为第三个波段，约为650-700nm。因此，实施例二相比实施例一，具有三倍的光谱探测范围。此外，第二根光纤的长度比第一根光纤长60m左右；第三根光纤的长度比第一根长120米左右。由于三根光纤长度不同，所以不同光谱波段通过不同光纤延时后，在时间上分开，并在不同时段进入光谱仪分光模块和光电探测器。这意味着一次激光脉冲产生的三个波段的信号可以分时复用同一个探测器探测，从而在每一个脉冲周期内都实现全波段的光谱探测。
全波段光谱的测量更利于检测的全面性，并且不浪费激光激发的光子数和积分时间。
3、光谱仪分光模块，参见图4和图5a，在本实施例的光谱仪分光模块4中，三个不同波段的光谱通过三根光纤在时间上先后进入光谱仪分光模块中。因为这每根光纤所输入的波段不同，具有不同的光栅衍射角。为了让所有三个波段的光子(112,113,114)经过光栅后的光子(212，213，214)都能在空间上进入光纤阵列端，需要三根输入光纤的位置相对平移一个光纤阵列的距离。因此，第一根光纤的出口置于光纤阵列端302的左侧；第二根光纤的出口置于光纤阵列端302的右侧；第三根与第二根光纤间隔一个光纤阵列的距离放置。三根光纤的位置保证三根光纤传输的三个光谱波段经光栅分光后都能恰好衍射到光纤阵列上(时间上已经分开)，以达到探测更大光谱范围的目的。更多根光纤依次类推，即可保证多个连续波段只用一套光纤束实现全波段的光谱探测。参见图5a，输入光纤可以分布在光纤阵列端302的下方，或者上方，或者同一行；三根光纤的排列可以根据实际情况，依次向左分布，或者向右分布。一般三个波段即可组成全波段。该模块结构简单，在实现全光谱测量的同时有利于实现光谱仪的小型化。
4、光纤阵列延时模块，在本实施例中，所述光纤阵列延时模块4包括120根具有等差数列不同长度的光纤排列成光纤阵列。
参见图5a，光纤阵列的输入端为按顺序紧密排列的一维光纤阵列，称为光纤阵列端302；光纤阵列的输出端将所有光纤排列成束，称为光纤束端(参见图5b)。在该实施例中，光纤阵列中光纤的长度为等差序列，每根光纤的长度按序都比前一根光纤增加0.5米(例如第一根光纤为0.5米，第二根为1米，第三根为1.5米，依次类推，第120根为60米)。光谱仪分光模块3得到的不同波长的光子按波长顺序进入光纤阵列端302。由于光纤的长度不同，因此不同波长的光子经过不同长度光纤的延时后，按波长顺序在时间上先后达到探测器。光纤束端将所有光纤排列成圆形或其它形状聚集成束，以便将拉曼光子输出到同一个单光子探测器上，实现光谱的探测。因为光纤长度间隔0.5m,即会产生2.5ns的相对延时(光纤的折射率n约为1.5)，因此共可以探测约300ns的时间范围的光子信号。
在该实施例二中，三根光纤承载的三个波段的信号，每个波段的光谱在探测端都覆盖300ns的延时时间。三个波段共将覆盖900ns的延时时间，从而实现全光谱的信号探测。
5、光电探测模块，参见图4，本实施例的光电探测模块5使用了一个硅光电倍增管(SiPM)单探头作为探测器。SiPM探测器,对每一个由光纤阵列延时模块4而来的光子进行单光子探测。
6、信号采集模块。在本实施例中，该信号采集模块6由一个单光子信号高速放大器和高速模拟信号采集卡构成。光电探测模块5产生的光子电信号先经由信号放大器放大，再通过高速采集卡采集。
7、电源及程序控制模块。在本实施例中，电源及程序控制模块7包括电源、信号发生器以及控制器，为激光激发模块、光电探测模块、信号采集模块提供电源与控制。
另外，本发明还提供了一种全波段光谱测量方法，参见图6，所述方法包括以下步骤：
1、激光激发步骤，激发被测样品产生第一光谱信号；
2、光谱收集步骤，收集所述第一光谱信号，并将其分割成两个及以上数量的单波段分别耦合进入不同长度收集光纤进行延时，使不同波段的光子在时间上分开；
在该步骤中，如果为单波段光谱，即上述光谱分割数量为一个，则收集光纤为一根，采用该收集光纤收集所述第一光谱信号；
3、光谱仪分光步骤，将所述第一光谱信号中各个单波段光谱按照
波长在空间上分开，将各单波段里不同波长的光子耦合进入光纤阵列的不同光纤里形成第二光谱信号；
4、光纤阵列延时步骤，将第二光谱信号的每一个单波段中不同波
长光子在光纤阵列的不同长度的光纤里传播，延时不同时间，并按时间顺序形成第三光谱信号；
5、光电探测步骤，对所述第三光谱信号中不同波长光子按时间顺
序进行光电探测，实现全波段光谱测量。
采用本发明的装置和方法获得的光谱图像分别如图7、图8(图8a,图8b)和图9(图9a,图9b)所示。其中：图7为MHz速率下光谱采集获取的DMSO纯样的拉曼光谱，上图为100ms内获取的105条光谱的累加，下图记录了连续19微秒采集的19条光谱。图8为该方法在高速激光扫描成像下获取的DMSO与空气的边界区域的光谱成像图，其中图8a为高光谱图像，图8b为A、B、C三处取出的3条拉曼光谱，显示A和B区域为DMSO的拉曼谱，C处为空气部分的拉曼光谱，主要呈现为噪声。图9a为该方法对培养的细胞实现的高速光谱成像图，图9b为从A、B、C三处获取的3条拉曼光谱。
在本发明中，SiPM实际上是一个面阵的雪崩二极管阵列，每一个微元均由一个雪崩二极管和一个淬灭电阻(Quenching resistor，QR)组成。每一个微单元探测到一个光子后都存在通常为10-100ns的死区时间(Dead time)，再回到初始状态，等待下一个光子打过来。而SiPM中各个微元被并联在一起，它们产生的光电脉冲可以被累加起来。具体的，本发明的实施例将3x3毫米硅光电倍增管(SiPM)作为光电探测器，其包含4774个微单元，不仅提供足够大的传感面积来接收来自所有光纤阵列的光子，而且还能够实现高动态范围来记录所有搜集到的光子。这意味着当同一时刻有大量光子进入大面积SiPM探头时，在空间上分散的光子可以同时被不同的微元探测到，并将所有探测到的单光子信号进行累加，继而避免了死区时间和探测空白期。死区时间消除意味着单光子探测系统更高光子探测效率、更快的响应速度、更宽的信号动态范围和更高的灵敏度。此外，SiPM的噪声主要为电子噪声暗计数，而SiPM阵列的暗电流速率比单个APD高得多(APD约为60计数/秒)。这将使得信号收到很大的暗噪声干扰。因此，我们为SiPM探测器配备了一个低温冷却系统，可以将SiPM的暗噪声水平大幅降低到1000计数/秒甚至更低，约每1000条光谱才出现一个暗计数，这大大提高了系统的探测灵敏度。探测器的温度越低，光谱的背景噪声将进一步降低。
此外，光电探测器也可使用APD、PMT、SPAD等，以及他们的一维阵列。
此外，在本发明的其他实施例中，光纤阵列的相邻光纤的长度差可以是任意长度差，长度差的作用是使不同波长的光子输出时具有时间差，长度差的大小只影响光谱的分辨率，长度差越大，光谱分辨率越高，但能容纳的光谱宽度会变窄。
此外，本发明不局限于多模光纤，单模光纤、光波导，以及其它只要达到将不同波长的光延时不同时间的策略也适用于本发明。
此外，在本发明的实施例中，所述光电探测模块使用1个SiPM探测器，但为了获取更宽波段的光子信息，在其他的实施例中也可使用两个或多个SiPM探测器，多个光纤阵列对应多个探测器，利用多通道同时采集光谱信号；但原理上都是通过不同长度的光纤阵列将光子在时间上延迟。
此外，本发明的实施例使用532nm波长的脉冲纳秒激光器作为激发光源，亦可采用其他波长和脉宽的脉冲激光器。
此外，本发明除了获取样品单个点的光谱信息，还可以通过激光扫描、样品移动扫描或者其它成像方式实现拉曼光谱图像。
此外，作为本发明的实施例，采用GHz的高速采集卡，在其他实施例中也可以采用更高速度的采集装置替代，以获得更高的时间分辨率。
此外，本发明所述方法除了适用于光谱测量及成像之外，也适用于激光雷达测距成像。
本发明的有益效果为：
从原理上，本发明使用光纤阵列代替传统光谱仪中CCD相机阵列。传统光谱仪将波长在空间上分开探测。本发明应用光纤阵列中不同长度的光纤延时光谱中不同波长的光，将光谱在时间域中拉开，然后再通过高动态范围的单光子探测器按时间顺序检测波长。其方法是应用脉冲激光器，在不到1ns的时间内对样品进行激光激发，并在脉冲之间的间隔时间里进行光谱检测。该策略、方法和系统不仅实现了MHz以上的光谱探测速度，还同时具备单光子检测灵敏度、散粒噪声极限、宽光谱范围、高的光通量(大芯径多模光纤)、瞬时脉冲光谱采集、超强适应的动态范围(强荧光信号，弱拉曼散射信号)以及高速的光谱成像能力。
具体来说，本发明的技术优越性在于具有以下重要特征：
1、在光谱测量速度和时间分辨率方面，本发明具有MHz以上超快的采谱速度和时间分辨率，能够在每微秒或者更短的时间内以单光子灵敏度获取光谱，并且具有高动态范围、全光谱范围，可进行长时间连续不断的采集。
2、在灵敏度方面，本发明使用多模光纤将光的传输损失降低到了最低极限，能够收集所有珍贵的信号光子。本发明可以在一秒钟内记录100万条或更多拉曼光谱，其中光谱测量采用单光子光电探测器，逐个对信号光子进行计数。因为单光子探测的优越性，该光谱测量系统不受读出噪声的影响，也基本消除了电子热噪声，电噪声及其它噪声对光谱探测的影响，达到散粒噪声(Shot noise)极限，其检测灵敏度可以超过基于深度制冷CCD的商用共焦拉曼光谱。在极微弱光探测时仍具有较高的信噪比，非常适合光信号极低的应用，包括单分子识别、追踪和快速成像。
3、在光谱范围方面，本发明另一个重要优势是仅使用单通道探测器即可实现全光谱的探测。本发明为了能够在同一次激光激发时间内覆盖非常宽的光谱范围，使用二色向镜滤光片将大范围光谱分割成多个波段，通过脉冲间隔内延时复用方法，大大增加光谱范围，且不浪费激光激发光子数和积分时间。以拉曼光谱为例，现有拉曼光谱仪的光谱范围通常只能覆盖单个波段约1200cm-1。本发明可同时覆盖3500cm-1以上拉曼光谱，包括指纹区(300-1800cm-1)、静默区(1800-2700cm-1)、碳氢C-H2/C-H3区(2700-3100cm-1)和水峰O-H(3100-3800cm-1)区域全波段约4000cm-1或更宽广的光谱带。这意味着本发明可以实现每一次脉冲激光激发后的全波段(>4000cm-1)光谱探测。
4、本发明创造性地提出了新的光谱仪构架，抛弃基于CCD阵列的光谱仪的传统结构，系统只用一个单通道光电探测器替代多像素的CCD相机。此外输入的拉曼光子通过消色差透镜进行准直，然后通过反射光栅进行反射式衍射，最后光子重聚输入光纤下方的一维光纤阵列进行延时，整个光谱仪结构简单，可靠性高，极易进一步实现小型化。
5、在信号的动态范围方面。本系统采用大芯径多模光纤，具有好的散射光子收集能力，并采用单光子探测以最高的灵敏度、速度、动态范围对它们进行检测。对于极弱的光谱信号，本系统都可在单光子探测模式下光谱测量。对于强的光谱信号，例如高浓度的R6G，信号仍然能够被全部记录，没有饱和。
本发明探索单通道单脉冲超快光谱测量及成像技术，不仅在时间分辨率方面达到纳秒级，而且其探测灵敏度也达到了理论极限，而且打破了传统光谱仪长期以来在光谱范围和动态范围方面的限制。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求书的保护范围内。
Claims (12)
1.一种光谱测量装置，其特征在于，所述装置包括激光激发模块、光谱信号收集模块、光谱仪分光模块、光纤阵列延时模块和光电探测模块；其中：
激光激发模块，用激光激发被测样品产生第一光谱信号；
光谱信号收集模块，包括滤光片组合、一个反射镜、两个二向色镜、三根多模光纤以及三个聚焦透镜，两个二向色镜将所述第一光谱信号光分割成三个不同波段后，分别通过各自的聚焦透镜耦合进入相应的多模光纤进行延时，使不同波段的光子在时间上分开，每根多模光纤传输一个波段，三根所述多模光纤的长度不同且各自输入的波段不同，从而三个波段组成全波段，其中，第二根光纤的长度比第一根光纤长60m左右；第三根光纤的长度比第一根长120米左右；
其中，第一个二向色镜使用605nm，第一个波段为540-605nm，第二个二向色镜使用650nm,第二个波段为605-650nm，剩下的第三个波段为650-700nm；
光谱仪分光模块，将所述第一光谱信号中各个单波段光谱按照波长在空间上分开，并将各单波段里不同波长的光子耦合进入不同光纤里形成第二光谱信号，所述第一根光纤的出口置于光纤阵列端的左侧；第二根光纤的出口置于光纤阵列端的右侧；第三根与第二根光纤间隔一个光纤阵列的距离放置；
光纤阵列延时模块，所述第二光谱信号的每一个单波段中不同波长光子在光纤阵列的不同长度的光纤里传播，延时不同时间，并按时间顺序形成第三光谱信号；
光电探测模块，对所述第三光谱信号中不同波长光子按时间顺序进行光电探测，实现全波段光谱测量。
2.根据权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述光谱测量装置与激光扫描或样品位移装置联合实现高速光谱成像功能。
3.根据权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述激光激发模块采用脉冲激光。
4.根据权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述多模光纤采用大芯径多模光纤，用以提高光谱信号收集效率，减少信号光损失，保证光谱分辨率和灵敏度。
5.根据权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述光纤阵列有两端，前端为光纤阵列端，后端为光纤束端；在光纤阵列端，所有光纤紧密排列成一维光纤阵列，所述光谱仪分光模块中被光栅色散开的光谱从光纤阵列端进入；在光纤束端，所有光纤约束成紧密排列的一束，以保证信号光子从光纤束端全部出射进入光电探测模块进行探测。
6.根据权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述光纤阵列延时模块具有两套及以上光纤阵列，它们的信号光子输出至两个及以上的光电探测模块进行探测，以获得更大的光谱范围。
7.根据权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述光谱仪分光模块采用反射式光栅；收集光纤出口光的准直与光栅衍射光的聚焦共用一个透镜。
8.根据权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述光电探测模块为单光子探测器。
9.根据权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述光电探测模块为硅光电倍增管或SiPM或雪崩二极管阵列或其它单光子探测器阵列，以避开死区时间，提高灵敏度。
10.根据权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述光谱仪分光模块内的光栅采用凹面聚焦反射式光栅。
11.根据权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，所述光谱为拉曼光谱、吸收光谱、荧光光谱、LIBS光谱、反斯托克斯光谱或其它光谱。
12.根据权利要求1所述的光谱测量装置，其特征在于，还包括信号采集模块，该模块包括信号放大器和高速采集卡。
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