CN219038184U - 一种时间分辨拉曼光谱装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种时间分辨拉曼光谱装置，包括光源模块、耦合模块、光纤分束模块、光电探测模块、传输模块、拉曼光谱采集模块和控制模块；光纤分束模块包括第一输出端和第二输出端，第一输出端的输出功率小于第二输出端，第二输出端设置有延时光纤；光电探测模块将第一输出端的输出光脉冲转换为触发电信号，触发电信号传输至拉曼光谱采集模块和控制模块；拉曼光谱采集模块包括数据采集卡和单像素光电探测器，单像素光电探测器将拉曼散射光转换为数据电信号，数据采集卡根据触发电信号的触发开始采集数据电信号；控制模块根据触发电信号确定脉冲激光的功率变化，根据功率变化校正数据电信号，并对校正后的数据电信号进行数据处理。

Description

一种时间分辨拉曼光谱装置

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域，尤其涉及一种时间分辨拉曼光谱装置。

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，时间分辨技术可以有效抑制荧光，例如，时间分辨可以通过克尔门、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。

在时间分辨拉曼光谱系统中，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，导致时间分辨拉曼光谱系统成本较高，不利于推广应用。

实用新型内容

本实用新型实施例提供了一种时间分辨拉曼光谱装置，该时间分辨拉曼光谱装置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。

根据本实用新型的一方面，提供了一种时间分辨拉曼光谱装置，其中，包括光源模块、耦合模块、光纤分束模块、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；

所述耦合模块用于将发散的所述脉冲激光耦合入所述光纤分束模块的输入端；

所述光纤分束模块包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端的输出功率小于所述第二输出端的输出功率，所述第二输出端设置有延时光纤；

所述光电探测模块用于将所述第一输出端的输出光脉冲转换为触发电信号，所述触发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输出端输出的经过所述延时光纤延迟后的输出光脉冲汇聚至待测样品，并将所述待测样品输出的拉曼散射光传输至所述拉曼光谱采集模块；

所述拉曼光谱采集模块包括数据采集卡和单像素光电探测器，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，所述单像素光电探测器用于将所述拉曼散射光转换为数据电信号，所述数据采集卡根据所述触发电信号的触发开始采集所述数据电信号；

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触发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数据电信号，并对校正后的所述数据电信号进行数据处理。

可选的，所述耦合模块包括沿光路依次设置的汇聚透镜和光纤准直器，所述光纤准直器的输出光纤与所述光纤分束模块的输入光纤连接；

所述汇聚透镜将发散的所述脉冲激光转化为准直光，所述光纤准直器将准直光耦合入光纤内。

可选的，所述汇聚透镜包括平凸透镜、弯月型透镜或非球面透镜的至少一种；所述光纤准直器内部包括沿远离所述汇聚透镜方向上依次排列的双胶合透镜和正弯月透镜。

可选的，所述汇聚透镜、所述双胶合透镜和所述正弯月透镜的表面均设置有增透膜。

可选的，所述延时光纤包括可延时光纤或不可延时光纤。

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。

本实用新型实施例提供的技术方案，通过光纤分束模块，将光源模块输出脉冲激光分束为两束功率不同的光束，功率较弱的一束用于转换为触发信号，功率较强的一束用于拉曼光谱信号扫描，并在功率较强的一端设置延时光纤，集成光束分光与时间补偿为一体，通过控制模块根据触发信号确定脉冲激光的功率变化，根据功率变化校正数据电信号，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。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本实用新型的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本实用新型的范围。本实用新型的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为一种拉曼光谱和荧光光谱示意图；

图2为时间分辨拉曼光谱技术的工作原理示意图；

图3为本实用新型实施例提供的第一种时间分辨拉曼光谱装置的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种脉冲激光功率随时间变化的示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种原始拉曼光谱和经过校正的拉曼光谱的示意图；

图6为本实用新型实施例提供的第一种耦合模块的结构示意图；

图7为本实用新型实施例提供的第二种耦合模块的结构示意图；

图8为本实用新型实施例提供的第二种时间分辨拉曼光谱装置的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

时间分辨拉曼也被称为时间门控拉曼、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(2DCCD)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为时间分辨拉曼光谱技术的工作原理示意图，时间分辨技术会抑制荧光，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，时间分辨可以通过克尔门、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探测器设计的时间分辨拉曼是目前非常有效的一个设计方案。

在时间分辨拉曼光谱系统中，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，导致时间分辨拉曼光谱系统成本较高，不利于推广应用。

为解决上述问题，本实用新型实施例提供一种时间分辨拉曼光谱装置。图3为本实用新型实施例提供的第一种时间分辨拉曼光谱装置的结构示意图，如图3所示，该装置包括：光源模块10、耦合模块20、光纤分束模块30、光电探测模块40、传输模块50、拉曼光谱采集模块60和控制模块70。光源模块10用于输出脉冲激光a；耦合模块20用于将发散的脉冲激光a耦合入光纤分束模块30的输入端31；光纤分束模块30包括第一输出端32和第二输出端33，第一输出端32的输出功率小于第二输出端33的输出功率，第二输出端33设置有延时光纤(图3未示出)。光电探测模块40用于将第一输出端32的输出光脉冲a₁转换为触发电信号，触发电信号传输至拉曼光谱采集模块60和控制模块70；传输模块50用于将第二输出端33输出的经过延时光纤延迟后的输出光脉冲a₂汇聚至待测样品80，并将待测样品80输出的拉曼散射光b传输至拉曼光谱采集模块60；拉曼光谱采集模块60包括数据采集卡和单像素光电探测器(图3中未示出)，光电探测模块40和单像素光电探测器均与数据采集卡连接，单像素光电探测器用于将拉曼散射光转换为数据电信号，数据采集卡根据触发电信号的触发开始采集所述数据电信号；控制模块70与光电探测模块40和拉曼光谱采集模块60连接，控制模块70用于根据触发电信号确定脉冲激光的功率变化，根据功率变化校正数据电信号，并对校正后的数据电信号进行数据处理。

其中，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，本实用新型实施例对此不作限定。

耦合模块20可以包括沿光路依次设置的汇聚透镜和光纤准直器，汇聚透镜将发散的脉冲激光转化为准直光，光纤准直器将准直光耦合入光纤内，汇聚透镜的具体光学元件组成以及光纤准直透镜的种类，根据测试需求进行调整，在此不做限定，例如汇聚透镜包括焦距为50mm的平凸透镜，光纤准直器为单模光纤准直器。

光纤分束模块30可以包括单模光纤耦合器和单模光纤，单模光纤耦合器用于将脉冲光束a分为两束功率不同的脉冲光束，两束脉冲光束a₁、a₂的功率比值可以根据后续光路的实际参数以及测试需求进行设定，在此不做限定，例如，其中一束相对较强的激光(a₂，例如可以占脉冲激光a强度的90％)，第一输出端32和第二输出端33的光纤长度可以在保证第一输出端的脉冲光束a₁能够进入光电探测模块40，且转换为触发信号的基础上进行设定，例如，第一输出端32和第二输出端33可以为纤芯直径9μm，长度20m～30m的光纤。在其他实施例中，光纤可以选用多模光纤，本实用新型实施例对此不作限定。延时光纤可以为可延时光纤或不可延时光纤，在此不做限定。

光电探测模块40的类型可以根据实际测试需求进行选择，在此不做限定。传输模块50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，具体光学元件组成可以根据实际测试需求进行设定，传输模块50的作用是通过各种光学器件将脉冲光束a₂聚焦到待测样品80，然后收集拉曼散射光且过滤掉激发光，聚集到拉曼光谱采集模块60中的针孔或狭缝内。

拉曼光谱采集模块60可以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不同波长的拉曼光进行空间分离，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、单像素硅光电倍增管或单像素微通道板，用于将光信号转换成电信号并传输给控制模块70进行数据处理，使用单像素光电探测器采集拉曼光谱信号时，可以将测试装置配置有步进电机和直线导轨。控制模块70可以包括控制电脑。另外在具体实施时，待测样品80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，本实用新型实施例对此不作限定。

具体而言，在实际测试过程中，光源模块10输出脉冲光束a，经过耦合模块20，将发散的脉冲激光耦合入光纤分束模块30的输入端31，经过光纤分束模块30分光，将脉冲光束a分为两束功率不同的脉冲光束，并在第一输出端32输出脉冲光束a₁，在第二输出端33输出脉冲光束a₂，脉冲光束a₁的输出功率小于脉冲光束a₂的输出功率。脉冲光束a₁经过第一输出端32的光纤传输至光电探测模块40，经光电探测模块40转换为触发信号，并传输至拉曼光谱采集模块60的数据采集卡以及控制模块70，数据采集卡接收到触发信号后开始采集单像素光电探测器生成的数据电信号。脉冲光束a₂经第二输出端33的延时光纤传输至传输模块50，传输模块50将经过延时光纤延迟后的脉冲光束a₂汇聚至待测样品80，并收集待测样品80输出的拉曼散射光b传输至拉曼光谱采集模块60。拉曼光谱采集模块60的单像素光电探测器接收拉曼散射光b，并转换为数字电信号，数据采集卡对数字电信号进行采集。可以理解的是，拉曼光谱的信号强度和脉冲激光的功率成正比，获取激光功率随时间的变化可以进一步校正拉曼光谱。控制模块70根据触发电信号确定脉冲激光a的功率变化，根据功率变化校正数据电信号，并对校正后的数据电信号进行数据处理。

示例性的，图4为本实用新型实施例提供的一种脉冲激光功率随时间变化的示意图，图5为本实用新型实施例提供的一种原始拉曼光谱和经过校正的拉曼光谱的示意图。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，将脉冲激光通过光纤分束模块多分出一束激光，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。

本实用新型实施例的技术方案，通过光纤分束模块将光源模块输出脉冲激光分束为两束功率不同的光束，功率较弱的一束用于转换为触发信号，功率较强的一束用于拉曼光谱信号扫描，并在功率较强的一端设置延时光纤，集成光束分光与时间补偿为一体，控制模块根据触发信号确定脉冲激光的功率变化，根据功率变化校正数据电信号，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。

可选的，图6为本实用新型实施例提供的第一种耦合模块的结构示意图，如图6所示，耦合模块20可以采用自由空间耦合方式，包括沿光路依次设置的汇聚透镜21和光纤准直器22，光纤准直器22的输出光纤与光纤分束模块30的输入光纤连接。汇聚透镜21将发散的脉冲激光转化为准直光，光纤准直器22将准直光耦合入光纤(光纤分束模块的输入端31)内。

其中，汇聚透镜21包括但不限于平凸透镜、弯月型透镜或非球面透镜的至少一种，光纤准直器22内部包括但不限于沿远离汇聚透镜21方向上依次排列的双胶合透镜和正弯月透镜。汇聚透镜21与光源模块10的相对位置，以及汇聚透镜21与光纤准直器22的相对位置可以在具体实施时，通过设备调试进行调整，在此不做限定。具体实施时，可以将光源模块10的激光头应放置在汇聚透镜21焦平面上微调，保证放置在导轨的分划板前后移动对应光束上下左右不移动，以此判断光束是否准直，然后将光纤准直器22的工作距离一半的位置与汇聚透镜21出射光束束腰半径最小处重合，光纤准直器22将光束聚焦入光纤分束模块30的输入端31。

具体而言，光源模块10输出脉冲激光，脉冲激光入射至耦合模块20，汇聚透镜21将发散的脉冲激光转换为准直光，准直光经光纤准直器22聚焦进入光纤分束模块30的输入端31，进而通过分束以及光纤传输，使得两束输出功率不等的脉冲光束形成时间差，并将输出功率较小的脉冲光束a₁用于门控信号触发，输出功率较大的脉冲光束a₂用于拉曼光谱扫描。

可选的，汇聚透镜21包括平凸透镜、弯月型透镜或非球面透镜的至少一种；光纤准直器22内部包括沿远离汇聚透镜21方向上依次排列的双胶合透镜和正弯月透镜。

图7为本实用新型实施例提供的第二种耦合模块的结构示意图，如图7所示，汇聚透镜21包括平凸透镜211，光纤准直器22内部包括沿远离汇聚透镜21方向上依次排列的双胶合透镜221和正弯月透镜222。其中平凸透镜211可以为焦距为50mm的平凸透镜。

可选的，汇聚透镜21、双胶合透镜211和正弯月透镜212的表面均设置有增透膜。其中，增透膜可以为350nm～700nm的宽带增透膜，进一步提高激光脉冲的透过率，进而提高后续测试的触发信号强度以及拉曼光谱信号的强度。

可选的，拉曼光谱采集模块60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。

可选的，拉曼光谱采集模块60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。

本实用新型某一实施例中，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。单像素SPAD探测器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。步进电机由电脑控制进而获取拉曼光谱。

示例性的，图8为本实用新型实施例提供的第二种时间分辨拉曼光谱装置的结构示意图。如图8所示，拉曼光谱采集模块包括拉曼分光单元61、单像素光电探测器67、步进电机68、直线导轨69，拉曼分光单元61包括针孔611、镀350nm～700nm宽带增透膜(AR)的平凸透镜612、闪耀衍射光栅613、2片焦距为150mm的平凸透镜614、615和一块焦距为200mm的平凹透镜616。

本实用新型的一个具体实施例中，光源模块10输出的脉冲激光中心波长为542nm，线宽0.01cm^-1，脉冲宽度1ps，重频80MHz，平均功率400mW的激光。耦合模块20包括镀350nm～700nm宽带增透膜(AR)，焦距为50mm的汇聚透镜21(平凸透镜)与光纤准直器22(单模光纤准直器)。汇聚透镜21(平凸透镜)将发散激光转化为准直光，光纤准直器22(单模光纤准直器)用于将准直光耦合入单模光纤，光纤分束模块30包含一个1:9的光纤分束器。光纤分束器将脉冲激光a分为两束，其中一束相对较强的激光a₂，在第二输出端32(单模光纤)传输产生时延以补偿触发电路内部的时间延迟，用作拉曼激发。另一束激光a₁直接被探测模块40转变为触发电信号，该触发信号分成两路，分别送到拉曼光谱采集模块60和控制模块70。送到拉曼光谱采集模块60的触发信号用于触发数据采集卡采集数据电信号和触发单像素光电探测器67采集拉曼光谱信号，送到控制模块70的触发信号用于记录下激光功率随着时间的变化曲线。传输模块50的作用是通过平凸透镜51、平面反射镜52、将第二光束a₂聚焦到待测样品80，然后将拉曼散射光通过平凸透镜51、滤光片53、平凸透镜54聚焦到拉曼光谱采集模块60中的针孔611或狭缝内。拉曼光谱采集模块60这里采用普通的显微拉曼探测系统，包括分光单元和探测单元，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，通过针孔611的拉曼光束通过镀350nm～700nm宽带增透膜(AR)的平凸透镜612平行入射到刻度为1800线/mm的闪耀衍射光栅613分光，散开的光谱再通过透镜组(2片焦距为150mm的平凸透镜614、615和一块焦距为200的平凹透镜616)聚焦到单像素光电探测器67表面，单像素光电探测器67表面放置在透镜组的焦平面上。单像素光电探测器67设置在直线导轨69上，由步进电机68带动扫描，每一个位置采集一个波长对应的数据电信号。步进电机由控制模块70控制进而获取拉曼光谱。其中控制模块70可以采用台式机，用来控制各硬件系统，采集和分析数据。

通过连续扫描不同位置最终获取完整的拉曼光谱。

传输模块50主要是通过各种光学器件将拉曼激发光聚焦到待测样品80，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60。这里采用普通的显微拉曼探测系统。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。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70控制进而获取拉曼光谱。其中控制模块70可以采用台式机，用来控制各硬件系统，采集和分析数据。

上述具体实施方式，并不构成对本实用新型保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本实用新型的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型保护范围之内。

Claims (10)

1.一种时间分辨拉曼光谱装置，其特征在于，包括光源模块、耦合模块、光纤分束模块、光电探测模块、传输模块、拉曼光谱采集模块和控制模块，所述光电探测模块和所述控制模块均与所述拉曼光谱采集模块连接，所述控制模块与所述光电探测模块连接；

所述光源模块用于输出脉冲激光；

所述耦合模块用于将发散的所述脉冲激光耦合入所述光纤分束模块的输入端；

所述光纤分束模块包括第一输出端和第二输出端，所述第一输出端的输出功率小于所述第二输出端的输出功率，所述第二输出端设置有延时光纤；

所述光电探测模块用于将所述第一输出端的输出光脉冲转换为触发电信号，所述触发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输出端输出的经过所述延时光纤延迟后的输出光脉冲汇聚至待测样品，并将所述待测样品输出的拉曼散射光传输至所述拉曼光谱采集模块；

所述拉曼光谱采集模块包括数据采集卡和单像素光电探测器，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，所述单像素光电探测器用于将所述拉曼散射光转换为数据电信号，所述数据采集卡根据所述触发电信号的触发开始采集所述数据电信号；

所述控制模块用于根据所述触发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数据电信号，并对校正后的所述数据电信号进行数据处理。

2.根据权利要求1所述的时间分辨拉曼光谱装置，其特征在于，所述耦合模块包括沿光路依次设置的汇聚透镜和光纤准直器，所述光纤准直器的输出光纤与所述光纤分束模块的输入光纤连接；

所述汇聚透镜将发散的所述脉冲激光转化为准直光，所述光纤准直器将准直光耦合入光纤内。

3.根据权利要求2所述的时间分辨拉曼光谱装置，其特征在于，所述汇聚透镜包括平凸透镜、弯月型透镜或非球面透镜的至少一种；所述光纤准直器内部包括沿远离所述汇聚透镜方向上依次排列的双胶合透镜和正弯月透镜。

4.根据权利要求3所述的时间分辨拉曼光谱装置，其特征在于，所述汇聚透镜、所述双胶合透镜和所述正弯月透镜的表面均设置有增透膜。

5.根据权利要求1所述的时间分辨拉曼光谱装置，其特征在于，所述延时光纤包括可延时光纤或不可延时光纤。

6.根据权利要求1所述的时间分辨拉曼光谱装置，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。

7.根据权利要求1所述的时间分辨拉曼光谱装置，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。

8.根据权利要求1所述的时间分辨拉曼光谱装置，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。

9.根据权利要求1所述的时间分辨拉曼光谱装置，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。

10.根据权利要求9所述的时间分辨拉曼光谱装置，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。

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