CN118190906A - 一种基于1×n光开关的时间门控探测窗口可调检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种基于1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统。其特征是：基于1×N光开关的时间门控测量系统是由脉冲激光器(1)、1×N可编程光开关组(2)、光纤探头(3)、光电探测器(Photoelectric Detector)(4)、信号放大电路(5)、准直镜(6)、光栅(7)、聚焦镜(8)、单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diode)阵列(9)、时间数字转换器(TDC)阵列(10)、现场可编程逻辑门阵列(现场可编程逻辑门阵列)(11)组成，其中单光子探测阵列芯片由正常模式运行的单光子雪崩光电二极管以及门控淬灭电路阵列组成。本发明可用于时间分辨的拉曼光谱和荧光寿命领域检测，可广泛用于生物医学、毒品检测、矿物检测等领域。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种基于1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统，可用于生物医学检测、毒品检测、矿物检测等领域的探测，属于光电探测技术领域。
(二)背景技术
在许多拉曼光谱的测量中，拉曼散射往往被环境光或强荧光背景所覆盖，而时间门控可以根据激光脉冲与样品之间的时间延迟来选择信号的接收时间窗口，从而能够在物理层面上分隔开拉曼信号和荧光背景。但是仍然有一个物理特性将拉曼散射与荧光区分开来，那就是拉曼散射的寿命比荧光的寿命小很多。拉曼散射的产生比荧光的产生快，拉曼散射的寿命一般在皮秒级，而荧光的寿命一般在几纳秒甚至几十纳秒之间，荧光信号在拉曼寿命结束后达到最大值，根据两种信号的不同到达时间，可以通过一些方法在拉曼光谱下有效抑制荧光背景。然而，尽管在时域进行操作能够实现此类应用，从技术上来讲，这需要对探测器作出十分苛刻的性能要求，因此，目前常规的拉曼CCD探测器较难实现上述功能。采用过去时间门控拉曼检测技术的方法是借助克尔(Carl)光学快门、门控增强型CCD以及光电倍增管等配件来实现的。
单光子雪崩光电二极管在探测过程中可能出现偶然性触发事件，这是由于隧穿和热激发引起了雪崩区缺陷能级以及窄带隙材料吸收区中暗载流子的产生，这些暗载流子随后经过雪崩倍增后会触发检测事件，这种现象被称为暗计数。另外，后脉冲指的是在光探测脉冲结束后，载流子在雪崩过程中被结区杂质俘获并随后被释放，进而发生了碰撞电离所形成的非光子探测脉冲。如何在单光子雪崩光电二极管的应用中抑制暗计数和后脉冲，仍然是一个亟需解决的难点问题。相较于未使用门控技术的情形，门控淬灭技术能够对后脉冲水平进行有效抑制，从而保持在较低水平。对于未使用门控的单光子雪崩光电二极管而言，由于长时间处于待测状态，偏压较高，其所发生的后脉冲概率较大，因此暗计数率大幅上升。导致后脉冲发生率的原因主要与淬灭前的电荷量有关，其值与俘获电荷数成正比。因此，快速淬灭即迅速雪崩，是减少后脉冲发生的有效途径。
为了实现时间门控技术的拉曼检测，研究人员为了平衡光子到达探测器的时间，以抑制荧光光子探测，提高拉曼荧光信噪比。E V.EFREMOV等采用的是使用ICCD，通过使用光电二极管来进行驱动门控增强器件用于给探测器进行提供供电门控电压，通过使用反射装置来进行激光信号的延迟；Martin等通过使用激光的同步脉冲接入延迟发生器来给探测器进行提供门控信号，通过调整脉冲的延时时间使得来自样品的散射光子在门控范围内进行测量；Tuomo Talala等通过分束器将激光一分为二将其中占比少的激光传输至光电探测器，通过使用光电探测器平衡光时间延迟，然后将光探测器的模拟信号输出至同步信号发生器，将同步信号发生器的输出提供给探测器阵列供电。刘金波公开的专利“基于双克尔光开关的抑制拉曼光谱中荧光的装置及方法”(中国专利号201911239656.8)通过分束镜来进行操作，经过分束镜后的光路一通过光延时器来驱动第一克尔光开关，分束器分出的第二光路通过反射镜来通过第二光延时器驱动第二克尔光开关，通过调整两个克尔光开关门的位置实现调整不同的延时时间。劳里·库尔基公开了“用于测量拉曼光谱检测装置及其方法”(中国专利号：2020080074782.7)中：他们所描述主要是空间光路的延时，通过反射镜之间的反射作用进行光学信号的延迟，通过增加光学透镜也增加光学延迟。尽管上述方法能够达到光信号延迟，使得探测器能够有效地探测到光子。但是也存在着一些问题：采用光电增强元器件作为探测器ICCD的驱动源会带来其仪器复杂性和对其降温预处理等问题，导致高昂的制造成本；其次，延迟发生器的高效性能需求在于优质脉冲的产生，然而却增加了系统中探测成本的负担；分束器的应用在分光之后借助光电探测器进行驱动探测时，可能会面临散射光子未落在门控时间内的问题；使用分束镜、克尔光开关和反射镜实现延时时间的调整可能会导致光的损耗增加；此外，使用双激光器时需要加强整体的安全防护措施。
为了解决以上问题，本发明公开了一种1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统，可用于生物医学检测，毒品检测和矿物检测等领域。本发明在时间门控检测系统中实现了简易操作的光学信号延迟的方法，通过电脑传输DC指令来实现可编程光开关的简易化操作延时，DC控制延时激光经过1×N可编程光开关(2)的光纤长度，实现对激光信号的延时。将经过延时的激光信号连接至光电探测器(4)，光电探测器(4)将光信号转换为电信号，结合信号放大电路(5)对电信号进行放大。将信号耦合至单光子雪崩光电二极管阵列(9)，使单光子雪崩光电二极管阵列(9)偏压至盖革模式，并通过时间数字转换器(10)进行散射光子到达的时间间隔不断记录。而后，我们将时间数字转换器(10)的输出与现场可编程逻辑门阵列(11)相连，经过现场可编程逻辑门阵列(11)的统计，即可精确得到光子到达单光子雪崩光电二极管阵列(9)的时间和数量信息，并即得到准确的时间-光子数的直方图。另一路同步激光来自于脉冲激光器(1)，它可连接至光纤探头(3)，以激发并采集样品所散发的光子。准直、分光和聚焦则可对采集的散射光子信号进行区分，以实现对不同波长光子的探测和分析。由此所构建的拉曼荧光检测系统，为样品检测操作带来了经济化和简洁化，同时也为拉曼检测系统的信噪比提高和灵敏度优化做出了新的尝试。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种基于1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统。其特征是：可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统是由脉冲激光器(1)、1×N可编程光开关(2)、光纤探头(3)、光电探测器(4)、信号放大电路(5)、准直镜(6)、光栅(7)、聚焦镜(8)、单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diode)阵列(9)、时间数字转换器(TDC)阵列(10)、现场可编程逻辑门阵列(现场可编程逻辑门阵列)(11)组成。本发明的目的是这样实现的：
脉冲激光器(1)产生两路同步激光脉冲，一路输出的脉冲激光传输至1×N可编程光开关(2)的输入端进行激光信号的延时处理，经过另外一组1×N可编程光开关(2)进行输出。根据延迟时间的需求通过程序设置1×N可编程光开关(21)的DC控制信号来控制激光延迟传输路径。通过信号传输线(23)传输DC程控指令，通过n位的二进制数实现对于1×N光开关2n条光路的可编程控制，即DC(DCn·····DC2DC1DC0)。经过延时后从1×N可编程光开关(2)输出的激光信号连接至光纤探头(3)。为了使单光子雪崩光电二极管工作于门控状态下的盖革模式进行光子检测，需要为其提供一个门控信号。光纤探头(3)将延时后的激光脉冲转换为电脉冲信号，将电脉冲信号输出至信号放大电路(5)，以此作为时间门控信号。时间门控信号传输至单光子雪崩光电二极管阵列(9)实现对其工作状态的控制；在该时间门控信号的作用下单光子雪崩光电二极管阵列(9)能够处于盖革工作模式，当检测到散射光子信号后就发生淬灭，实现本次的光子检测。脉冲激光器(1)产生的另一路激光脉冲连接至光纤探头(3)的输入端。光纤探头(3)可以进行激发、收集样品的散射光子，散射光子包含样品的荧光、拉曼散射等信号。散射光子经过光纤探头的输出端入射至准直镜(6)，准直镜可以将发射光子进行准直操作，出射后的平行光入射至光栅(7)，能够将散射光不同波长的分量进行分离，经过分离后的光到达至聚焦镜(8)，聚焦后的不同波长的散射光入射至单光子雪崩光电二极管阵列(9)的感光区域被检测。单光子雪崩光电二极管阵列检测到光子后输出的淬灭信号传输至时间数字转换器(10)，记录光子的达到时间，时间数字转换器(10)的输出连接至现场可编程逻辑门阵列(11)，现场可编程逻辑门阵列(11)统计光子到达单光子雪崩光电二极管阵列的时间与数量，从而得到时间-光子数的直方图。
(下面是进一步的细节阐述与说明，包括其他权利要求项及其细节说明)
述系统中的脉冲激光器可以同时产与脉冲激光同步的电脉冲信号，常见的脉冲激光器波长为532nm、660nm、785nm、1064nm。
基于1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统；其特征是：所述的1×N可编程光开关(2)由1×N光开关组(21)组成，其中输入端为1×N可编程光开关(21)，输出端为N×1可编程光开关(21)。两个光开关之间的输出光纤接口对应连接。光开关接口0相连的光纤臂(22)长度为L，接口1相连的光纤臂(22)长度为2L，第n个接口相连的光纤臂(22)长度为nL。通过信号传输线(2)传输DC程控指令，通过n位的二进制数可以实现对于1×N光开关2n条光路的可编程控制，通过控制每个可编程光开关的DC来确定选择输出端口。当DC为(0···000)时激光于1×N光开关组(21)的B0路线传输，于A1口输出。当DC为(0···001)时激光于1×N光开关组(21)的B1路线传输。依此类推至第2n条。那么根据可编程光开关的控制位可以计算得到：LTotal＝L+L×DC0+2L×DC1+…+2n-1L×DCn，式中LTotal为总延时长度，那么可以计算的得到延时时间即为：Tdelay＝Ltotal/c，其中Tdelay总延时时长，c为光在光纤延迟线中的传输速度。
所述的光电探测器(4)的基本原理是通过给光电探测器(4)一个反向偏压，使其对光强度产生一个线性响应，所产生的光电流特征基于入射的光及其波长。通过光电探测器(4)对脉冲激光器(1)产生的激光脉冲进行调制，在光电探测器(4)输出端输出光电流脉冲。光电探测器(4)输出的电流脉冲连接至信号放大电路(5)，以获得更的高增益。其中信号放大电路(5)可以选择跨阻放大器，跨阻放大器将电流转换为放大后的电压信号，其增益主要由负反馈电阻RF决定。那么输出电压值为UO＝Is×RF，其中IS为光电流，UO为信号放大电路的输出电压。获得的输出电压是与电流脉冲频率相同的电压脉冲，在信号放大电路芯片选择中尽量选择较小的电压上升/下降时间。
所述可调探测窗口的基本原理是测试开始时先使门控信号的下降沿刚好处于激光激发前一刻。然后使用1×N光开关组(2)来选择适当的光信号延迟时间，以实现对光子探测区域落至放大信号下降沿部分的控制，那么系统在用于拉曼检测领域时，获得的探测窗口宽度为：Ton＝TDelay，且其范围处在0～Twindow，其中Twindow为时间门控信号整体的宽度。由光电探测器(4)提供的窄时间门控信号可以很好的抑制荧光光子信号，进而实现对于拉曼荧光信噪比SNR＝NRaman/Sqrt(NRaman+NBackground+Nfluor)的提高；若用于荧光寿命检测领域，只需使用1×N光开关组(2)来调整的光信号大范围的延迟时间，将时间门控信号覆盖整个样品激发光强的周期。
(四)附图说明
图1是基于1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统结构示意图。可编程调节光纤延时的门控拉曼检测系统由脉冲激光器(1)、1×N可编程光开关组(2)、光纤探头(3)、光电探测器(Photoelectric Detector)(4)、信号放大电路(5)、准直镜(6)、光栅(7)、聚焦镜(8)、单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diode)阵列(9)、时间数字转换器(TDC)阵列(10)、现场可编程逻辑门阵列(现场可编程逻辑门阵列)(11)组成。
图2是基于1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统框图。
图3是基于1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统中可编程1×N光开关组示意图，由可编程1×N光开关(21)、光纤臂(22)、数据传输线(23)组成。
图4是基于1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统的的信号放大电路电路图。
图5是基于1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统的探测窗口实现方式示意图。
(五)具体实施方式
下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。
图1给出了基于1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统的实施例。其特征是：光纤延迟可调的可编程门控检测系统是由脉脉冲激光器(1)、1×N可编程光开关组(2)、光纤探头(3)、光电探测器(4)、信号放大电路(5)、准直镜(6)、光栅(7)、聚焦镜(8)、单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diode)阵列(9)、时间数字转换器(TDC)阵列(10)、现场可编程逻辑门阵列(现场可编程逻辑门阵列)(11)组成。脉冲激光器(1)产生两路同步激光脉冲，一路输出的脉冲激光传输至1×N可编程光开关(2)的输入端进行激光信号的延时处理，经过另外一组1×N可编程光开关(2)进行输出。根据延迟时间的需求通过程序设置1×N可编程光开关组(2)的DC控制信号来控制激光延迟传输路径。通过信号传输线(23)传输DC程控指令，通过n位的二进制数实现对于1×N光开关2n条光路的可编程控制，即DC(DCn·····DC2DC1DC0)。1×N可编程光开关组(2)由两个1×N光开关(21)组成，其中输入端为1×N可编程光开关(21)，输出端为N×1可编程光开关(21)。两个光开关之间的输出光纤接口对应连接。光开关接口0相连的光纤臂(22)长度为L，接口1相连的光纤臂(22)长度为2L，第n个接口相连的光纤臂(22)长度为nL。通过信号传输线(23)传输DC程控指令，通过n位的二进制数可以实现对于1×N光开关2n条光路的可编程控制，通过控制每个可编程光开关的DC来确定选择输出端口。当DC为(0···000)时激光于1×N光开关组(21)的B0路线传输，于A1口输出。当DC为(0···001)时激光于1×N光开关组(21)的B1路线传输。依此类推至第2n条。那么根据可编程光开关的控制位可以计算得到：LTotal＝L+L×DC0+2L×DC1+…+2n -1L×DCn，式中LTotal为总延时长度，那么可以计算的得到延时时间即为：Tdelay＝Ltotal/c，其中Tdelay总延时时长，c为光在光纤延迟线中的传输速度。脉冲激光器(1)产生的另一路激光脉冲连接至光纤探头(3)的输入端。光纤探头(3)可以进行激发、收集样品的散射光子，散射光子包含样品的荧光、拉曼散射等信号。通过带通滤波片、二向色镜、长通滤波片、聚焦镜等滤波元件的组合，成功地消除了散射光中的激光成分。其中，二向色镜能够对特定波长的光线进行高效透过或反射，从而消除一些不必要的波长干扰信号。得到的散射光子信号，则包含了样品的荧光、拉曼散射等有用信息。散射光子经过光纤探头的输出端入射至准直镜(6)，准直镜可以将发射光子进行准直操作，出射后的平行光入射至光栅(7)，能够将散射光不同波长的分量进行分离，经过分离后的光到达至聚焦镜(8)，聚焦后的不同波长的散射光入射至单光子雪崩光电二极管阵列(9)的感光区域被检测。为了使单光子雪崩光电二极管工作于门控状态下的盖革模式进行光子检测，这需要为其提供一个门控信号。光电探测器(4)将延时后的激光脉冲转换为电脉冲信号，将电脉冲信号输出至信号放大电路(5)，以此作为时间门控信号。通过给光电探测器(4)一个反向偏压，使其对光强度产生一个线性响应，所产生的光电流特征基于入射的光及其波长。通过光电探测器(4)对脉冲激光器(1)产生的激光脉冲进行调制，在光电探测器(4)输出端输出光电流脉冲。光电探测器(4)输出的电流脉冲连接至信号放大电路(5)，以获得更的高增益。其中信号放大电路(5)可以选择跨阻放大器，跨阻放大器将电流转换为放大后的电压信号，其增益主要由负反馈电阻RF决定。那么输出电压值为UO＝Is×RF，其中IS为产生光电流，UO为信号放大电路的输出电压。测试开始时先使门控信号的下降沿刚好处于激光激发前一刻。然后使用1×N光开关组(2)来选择适当的光信号延迟时间，以实现对光子探测区域落至放大信号下降沿部分的控制，那么系统在用于拉曼检测领域时，获得的探测窗口宽度为：Ton＝TDelay，且其范围处在0～Twindow，其中Twindow为时间门控信号整体的宽度。由光电探测器(4)提供的窄时间门控信号可以很好的抑制荧光光子信号，进而实现对于拉曼荧光信噪比SNR＝NRaman/Sqrt(NRaman+NBackground+Nfluor)的提高；若用于荧光寿命检测领域，只需使用1×N光开关组(2)来调整的光信号大范围的延迟时间，将时间门控信号覆盖整个样品激发光强的周期。当检测到散射光子信号后就发生淬灭，实现本次的光子检测。当单光子雪崩光电二极管阵列捕捉到光子时，产生的淬灭信号会被传输至时间数字转换器(10)，并被用于标记光子的到达时间。此外，时间数字转换器(10)的输出还会与现场可编程逻辑门阵列(11)相连，后者则会对光子到达单光子雪崩光电二极管阵列的时间以及数量进行计数，从而得出时间-光子数的直方图。
Claims (5)
1.一种基于1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统。其特征是：1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统是由脉冲激光器(1)、1×N可编程光开关组(2)、光纤探头(3)、光电探测器(4)、信号放大电路(5)、准直镜(6)、光栅(7)、聚焦镜(8)、单光子雪崩光电二极管(Single Photon Avalanche Diode)阵列(9)、时间数字转换器(TDC)阵列(10)、现场可编程逻辑门阵列(现场可编程逻辑门阵列)(11)组成；所述系统中脉冲激光器(1)产生两路同步激光脉冲，一路输出的脉冲激光传输至1×N可编程光开关(21)的输入端进行激光信号的延时处理，经过另外一组N×1可编程光开关(21)进行输出。根据延迟时间的需求通过程序设置1×N可编程光开关(21)的DC控制信号来控制激光延迟传输路径。通过信号传输线(23)传输DC程控指令，通过n位的二进制数实现对于1×N光开关2n条光路的可编程控制，即DC(DCn·····DC2DC1DC0)。经过延时后从1×N可编程光开关(2)输出的激光信号连接至光电探测器(4)。为了使单光子雪崩光电二极管工作于门控状态下的盖革模式进行光子检测，需要为其提供一个门控信号。光电探测器(4)将延时后的激光脉冲转换为电脉冲信号，将电脉冲信号输出至信号放大电路(5)，以此作为时间门控信号。时间门控信号传输至单光子雪崩光电二极管阵列(9)实现对其工作状态的控制；在该时间门控信号的作用下单光子雪崩光电二极管阵列(9)能够处于盖革工作模式，当检测到散射光子信号后就发生淬灭，完成本次的光子检测。脉冲激光器(1)产生的另一路激光脉冲连接至光纤探头(3)的输入端。光纤探头(3)可以进行激发、收集样品的散射光子，散射光子包含样品的荧光、拉曼散射等信号。光纤探头的输出末端将所散射光子引导至准直镜(6)，准直镜能够对所发射的光子进行完美的准直处理，因此出射的光线为平行光，随后进一步投射至光栅(7)的位置，使散射光子分为不同波长传输至聚焦镜(8)。在经过聚焦之后，不同波长的散射光精确地投射至单光子雪崩光电二极管阵列(9)的感光区，以进行监测。单光子雪崩光电二极管阵列检测到光子后输出的淬灭信号传输至时间数字转换器(10)，记录光子的达到时间，时间数字转换器(10)的输出连接至现场可编程逻辑门阵列(11)，现场可编程逻辑门阵列(11)统计光子到达单光子雪崩光电二极管阵列的时间与数量，从而得到时间-光子数的直方图。
2.根据权利要求1所述的基于1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统；其特征是：所述系统中的脉冲激光器(1)可以同时产与脉冲激光同步的电脉冲信号，常见的脉冲激光器波长为532nm、660nm、785nm、1064nm。
3.根据权利要求1所述的基于1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统；其特征是：所述的1×N可编程光开关组(2)由两个1×N光开关(21)组成，其中输入端为1×N可编程光开关(21)，输出端为N×1可编程光开关(21)。两个光开关之间的输出光纤接口对应连接。光开关接口0相连的光纤臂(22)长度为L，接口1相连的光纤臂(22)长度为2L，第n个接口相连的光纤臂(22)长度为(n+1)L。通过信号传输线(23)传输DC程控指令，通过n位的二进制数可以实现对于1×N光开关2n条光路的可编程控制，通过控制每个可编程光开关的DC来确定选择输出端口。当DC为(0···000)时激光于1×N光开关组(2)的B0路线传输，于A1口输出。当DC为(0···001)时激光于1×N光开关组(2)的B1路线传输。依此类推至第2n条。那么根据可编程光开关的控制位可以计算得到：LTotal＝L+L×DC0+2L×DC1+…+2n-1L×DCn，式中LTotal为总延时长度，那么可以计算的得到延时时间即为：Tdelay＝Ltotal/c，其中Tdelay总延时时长，c为光在光纤延迟线中的传输速度。
4.根据权利要求1所述的基于1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统；其特征是：所述的光电探测器(4)的基本原理是通过给光电探测器(4)一个反向偏压，使其对光强度产生一个线性响应，所产生的光电流特征基于入射的光及其波长。通过光电探测器(4)对脉冲激光器(1)产生的激光脉冲进行调制，在光电探测器(4)输出端输出光电流脉冲。光电探测器(4)输出的电流脉冲连接至信号放大电路(5)，以获得更的高增益。其中信号放大电路(5)可以选择跨阻放大器，跨阻放大器将电流转换为放大后的电压信号，其增益主要由负反馈电阻RF决定。那么输出电压值为UO＝Is×RF，其中IS为光电流，UO为信号放大电路的输出电压。获得的输出电压是与电流脉冲频率相同的电压脉冲，在信号放大电路芯片选择中尽量选择较小的电压上升/下降时间。
5.根据权利要求1所述的基于1×N光开关的时间门控探测窗口可调检测系统；其特征是：所述可调探测窗口的基本原理是测试开始时先使门控信号的下降沿刚好处于激光激发前一刻。然后使用1×N光开关组(2)来选择适当的光信号延迟时间，以实现对光子探测区域落至放大信号下降沿部分的控制，那么系统在用于拉曼检测领域时，获得的探测窗口宽度为：Ton＝TDelay，且其范围处在0～Twindow，其中Twindow为时间门控信号整体的宽度。由光电探测器(4)提供的窄时间门控信号可以很好的抑制荧光光子信号，进而实现对于拉曼荧光信噪比SNR＝NRaman/Sqrt(NRaman+NBackground+Nfluor)的提高；若用于荧光寿命检测领域，只需使用1×N光开关组(2)来调整的光信号大范围的延迟时间，将时间门控信号覆盖整个样品激发光强的周期。
Priority Applications (1)
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| CN202410338082.4A CN118190906A (zh) | 2024-03-22 | 2024-03-22 | 一种基于1×n光开关的时间门控探测窗口可调检测系统 |
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