科创中国

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、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。

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.***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。

华中科技大学（Huazhong University of Science and Technology），简称华中大、华科大 ，位于湖北省武汉市，是中华人民共和国教育部直属的综合性研究型全国重点大学、位列国家“双一流”“985工程”“211工程”、入选“强基计划”“111计划”、卓越工程师教育培养计划、卓越医生教育培养计划、国家大学生创新性实验计划、国家级大学生创新创业训练计划、国家建设高水平大学公派研究生项目、国家级新工科研究与实践项目、基础学科拔尖学生培养计划2.0，是学位授权自主审核单位、全国深化创新创业教育改革示范高校、一流网络安全学院建设示范项目高校、中国政府奖学金来华留学生接收院校、教育部来华留学示范基地，为中欧工程教育平台成员和医学“双一流”建设联盟 、国际应用科技开发协作网 、全球能源互联网大学联盟成员。

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。

本专利成果采用技术转让，技术入股，技术合作等成果转化方式，希望进一步实现该专利的有益效果，有兴趣皆可面议。