CN116659667A - 基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统 - Google Patents
基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116659667A CN116659667A CN202310511285.4A CN202310511285A CN116659667A CN 116659667 A CN116659667 A CN 116659667A CN 202310511285 A CN202310511285 A CN 202310511285A CN 116659667 A CN116659667 A CN 116659667A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- programmable
- delay
- signal
- fiber
- optical switch
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 85
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 239000000523 sample Substances 0.000 claims abstract description 31
- 230000003321 amplification Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 claims abstract description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 10
- 238000010791 quenching Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 claims abstract description 6
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 89
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 59
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 claims description 34
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 17
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 9
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 6
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000005669 field effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000008054 signal transmission Effects 0.000 claims description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 claims description 3
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 3
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 3
- 229940079593 drug Drugs 0.000 abstract description 3
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 3
- 239000011707 mineral Substances 0.000 abstract description 3
- 238000001237 Raman spectrum Methods 0.000 abstract description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000003491 array Methods 0.000 description 4
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 4
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 description 3
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000001444 catalytic combustion detection Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 101000694017 Homo sapiens Sodium channel protein type 5 subunit alpha Proteins 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000012937 correction Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005192 partition Methods 0.000 description 1
- 238000001945 resonance Rayleigh scattering spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 230000000630 rising effect Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/44—Raman spectrometry; Scattering spectrometry ; Fluorescence spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
- G01J3/0208—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using focussing or collimating elements, e.g. lenses or mirrors; performing aberration correction
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/02—Details
- G01J3/0205—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows
- G01J3/0218—Optical elements not provided otherwise, e.g. optical manifolds, diffusers, windows using optical fibers
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
- G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/2803—Investigating the spectrum using photoelectric array detector
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
- G01J3/28—Investigating the spectrum
- G01J3/44—Raman spectrometry; Scattering spectrometry ; Fluorescence spectrometry
- G01J3/4406—Fluorescence spectrometry
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
- G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
- G01N21/65—Raman scattering
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02A—TECHNOLOGIES FOR ADAPTATION TO CLIMATE CHANGE
- Y02A90/00—Technologies having an indirect contribution to adaptation to climate change
- Y02A90/10—Information and communication technologies [ICT] supporting adaptation to climate change, e.g. for weather forecasting or climate simulation
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
本发明提供的是一种基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统。其特征是：光纤延迟可调的可编程门控检测系统是由脉冲激光器(1)、可编程延时光纤(2)、光纤探头(3)、窄脉冲调制电路(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阵列(9)、时间数字转换器阵列(10)、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。本发明可用于极微弱时间分辨拉曼光谱检测，消除强背景荧光的干扰，可广泛用于材料检测、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可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统，本发明可用于极微弱时间分辨拉曼光谱检测，消除强背景荧光的干扰，可广泛用于材料分析、生物医学、毒品检测、矿物检测等领域，属于光电探测技术领域。
(二)背景技术
拉曼检测通常会受到检测样品的背景荧光干扰而导致待测样品的拉曼信息被覆盖使得其无法准确测量，而时间门控技术能够很好地解决样品荧光背景强的问题。工作原理是利用拉曼信号与荧光信号的响应速度与时间寿命不同，通过控制探测器的开关时间，仅允许拉曼信号被探测，而荧光信号被屏蔽探测。拉曼信号是瞬时产生的且其寿命为ps级别，因而拉曼信号持续时间基本是与激光同步。而荧光信号的响应速度慢，大多数的物质背景荧光寿命基本在ns、us级别，所以可以通过在时域上进行调整探测器的开启与关闭时间来分离拉曼信号与荧光信号。在拉曼信号到来时开启探测器，拉曼信号消失后立即关闭探测器。由于一般背景荧光的寿命在纳秒级别，所以拉曼信号的持续探测时间在500ps以下，两者分离的效果才可能满足实际拉曼测试需求。在如此短的时间控制探测器的开关，即要求探测器的开关响应时间快，同时也需要电子器件具有超强的能力可以产生低于500ps脉宽的脉冲。目前时间门控拉曼检测技术常用的探测器包括门控增强型CCD和光电倍增管，以及单光子雪崩光电二极管阵列。单光子雪崩光电二极管阵列进行时间门控拉曼检测具有巨大的潜力与优势；单光子雪崩光电二极管的工作原理是利用光电效应，对其探测的单个光子进行重复性计数，从而达到对微弱信号的探测。与光电倍增管相比，单光子雪崩光电二极管阵列所需要的偏置击穿电压更小、产品体积更小、探测灵敏度更高。同时因为其采用CMOS工艺制造，相对于门控增强型CCD，成本更低。
研究人员为了调整光子到达探测器的测量时间，以达到抑制荧光光子探测提高拉曼荧光信噪比的目的。E V.EFREMOV等采用的是使用ICCD，通过使用光电二极管来驱动门控增强器件用于给探测器进行提供供电门控电压，通过使用反射镜之间反射，以实现的激光信号的延迟。(E V.EFREMOV，et al.，“Fluorescence Rejection in Resonance RamanSpectroscopy Using a Picosecond-Gated Intensified Charge-Coupled DeviceCamera.”Chemistry，Physics Applied Spectroscopy.”BioAnalytical Chemistry，.61(6)：571-8，2001)；Martin等通过使用激光的同步脉冲接入延迟发生器来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(Martin/>et al.，“Time-gated Raman spectroscopy-a review.”IOP Publishing Ltd，32(01))；TuomoTalala等通过分束器将激光一分为二，将其中分光比较少的激光传输至光电探测器，通过光电探测器延迟电脉冲信号，然后将光探测器的输出信号传输至同步信号发生器以产生门控信号。(Tuomo Talala，et al.，“Time-Resolved Raman Spectrometer With HighFluorescence Rejection Based on a CMOS SPAD Line Sensor and a 573-nm PulsedLaser.”IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement，Volume：70，January2021)。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、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或者调整两个克尔光开关驱动光路的延时时间，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：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。马佳妮公开了“一种时间分辨拉曼光谱设备”(中国专利号：CN108693165A)，所描述的通过控制延时发生器来控制双激光器的脉冲发射，将第一激光器作为一个探测坐标，延迟控制第二激光器的发射时间，再通过大量的反射镜、透镜进行调整整体时间延迟达到抑制荧光散射光子的探测。王振友公开的专利“一种时间门控拉曼光谱系统及拉曼光谱校正方法”(中国专利号：CN114460061A)同样的通过分束器将激光一分为二，再将分光比较少的部分通过光电探测器，将光信号转换为电信号，实现对探测器的门控时间的延迟。这些设计的缺陷有：1、通过使用光电探测器，通过将其转换的电信号来传输至门控增强器件驱动探测器，这样使得整体仪器复杂程度增加、具有更高的成本；2、所描述的延迟发生器需要优秀的脉冲产生性能，但这样会大大增加了系统探测成本；3、所描述的经过分束器后经过光电探测器产生脉冲触发信号再进行驱动产生门控信号，同样相当于是延迟电脉冲信号，但这样不能很好的保证散射光子完美的落入至门控时间内；4、通过分束镜、克尔光开关、反射镜来调整延时时间的方法需要通过调整克尔光开关的前后位置，这样无疑会增加光的损耗；5、所描述的空间光路时间延迟通过了大量的反射镜，光的能量在每个反射镜之间的反射效率达不到100％，不断地进行反射操作会不断的降低激发光的功率，进而导致探测灵敏度的降低。6、通过使用延时发生器控制双激光器的操作无疑是增加了整体的成本，并且通过使用双激光器也增加了整体的安全防护措施。
为了解决以上问题，本发明公开了一种可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统，可用于材料检测生物医学检测，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控制延时激光经过可编程光纤延迟(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纤探头(3)进行激发、采集样品的散射光子，收集到的散射光子信号经过准直、分光、聚焦来实现对不同波长的分区探测。来自脉冲激光器(1)的与脉冲激光发射的同步信号，经过窄脉冲调制电路(4)调制后的窄脉冲信号经过信号放大电路(5)放大，耦合至单光子雪崩光电二极管阵列(9)将其偏压至盖革模式，通过时间数字转换器(10)不断地记录散射光子到达单光子雪崩光电二极管阵列(9)的时间间隔，随后时间数字转换器(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(9)的时间与数量，从而得到时间-光子数的直方图。从而实现更为经济化、简洁化的样品检测操作，并且实现了一种提高拉曼荧光信噪比、灵敏度更高的拉曼检测系统。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统。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)、可编程光纤延迟(2)、光纤探头(3)、窄脉冲调制电路(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阵列(9)、时间数字转换器阵列(10)、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)输出的脉冲激光传输至可编程延时光纤(2)的输入端进行激光信号的延时处理，同时脉冲激光器产生的同步电信号连接至窄脉冲调制电路(4)的输入端和时间数字转换器(10)的开始端。可编程延时光纤(2)的输入端为1×2的可编程光开关(21)，输出端为2×1可编程光开关，中间级为2×2的可编程光开关。根据延迟时间的需求通过程序设置可编程光开关的DC控制信号来控制可编程光开关当前所选择的输出口。通过信号传输线(24)传输DC程控指令，通过n位的二进制数实现对于N个光开关的可编程控制，即DC＝(DCnDen-1...Dc1)，通过控制每个可编程光开关的DCi来确定选择输出端口。当DCi为1时激光于可编程光开关(21)的Ci输出端口出射，经过第一光纤延迟臂(22)进行延时操作，并于下一级的可编程光开关的Ai+1端口输入；反之，激光从可编程光开关(21)的Di输出口出射经过极短的第二光纤臂(23)进行传输至下一级可编程光开关(21)的Bi+1输入端，依此类推至第n级可编程光开关(21)。经过延时后从可编程延时光纤(2)输出的激光信号连接至光纤探头(3)，光纤探头(3)可以激发、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，其中光纤探头结构与拉曼探头结构相一致，经过带通滤波片、二向色镜、长通滤波片、聚焦镜进行有效的滤除收集散射光子中的激光成分，其中二向色镜可以对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射。散射光子经过光纤探头的输出端入射至准直镜(6)，准直镜将发射光子进行准直，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，需要为其提供一个门控信号。窄脉冲调制电路将输入的同步信号调制为窄脉冲信号后输出值放大电路，放大后的脉冲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；在该脉冲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，随后将其复位，等待下一次的门控时间到来；若在本次门控状态下未检测到光子，就不会发生淬灭但同样的也会将单光子雪崩光电二极管阵列复位；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。
所述系统中的脉冲激光器可以同时产生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、830nm、1064nm。
所述的可编程光纤延迟(2)由N个可编程光开关(21)组成，其中输入端为1×2可编程光开关(21)，输出端为2×1可编程光开关(21)，中间级为2×2可编程光开关(21)。第1级的第一光纤臂(22)长度为L，所有的第二光纤臂(23)长度相同且为尽量短的长度，第2级的第一光纤臂长度为2L，所连结的光开关个数为N个，所以第N-1级可编程光开关的第一光纤臂长度为2n-2Lo通过信号传输线(24)传输DC程控指令，通过n位的二进制数实现对于N个光开关的可编程控制，即DC＝(DCnDCn-1...Dc1)，通过控制每个可编程光开关的DCi来确定选择输出端口；当DCi为1时激光于可编程光开关(21)的Ci输出端口出射，经过第一光纤延迟臂(22)进行延时操作，并于下一级的可编程光开关的Ai+1端口输入，反之激光从可编程光开关(21)的Di输出口出射经过极短的第二光纤臂(23)进行传输至下一级可编程光开关(21)的Bi+1输入端，依此类推至第N级可编程光开关(21)。根据可编程光开关的控制位可以计算得到：LTotal＝L×DC1+2L×DC2+...+2n-2L×Dcn-1，式中LTotal为总延时长度，2iL为当前第i档位的长度，Dci为当前第i个档位的控制信号，那么可以计算得到延时时间即为：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。
所述的窄脉冲调制电路(4)的基本原理是仅有当输入IN+为高电平，IN-为低电平时输出OUTH才会为高电平，否则输出OUTH全部为低电平。具体实现为：通过调整高速缓冲器(41)后端的开关档位调整RC延迟值，根据电路计算公式计算延迟时间常数，τ＝RC，式中R为经过开关后端的R5、R6、R9、R11、R12的电阻值，式中的C为后端所连电容C7，τ为时间常数。那么延迟时间：T＝-τ×ln((E-V)/E)，式中：E为串联电阻和电容之间的电压，V为电容间电压，通过公式计算得到延迟时间。通过氮化镓场效应晶体管(42)来产生门控脉冲信号，原始同步信号输入至IN+输入端，经过高速缓冲器延时的同步信号输入至IN-端，即可在氮化镓场效应晶体管OUT+端输出窄脉冲信号。
所述的信号放大电路(5)通过使用运算放大器来实现，运算放大器的压摆率是用于描述电压的上升/下降速率。该系统中所述的放大器件不需要具有更高、更贵的压摆芯片，可以选择带宽较宽的运算放大器，使得该方案具有更好的经济效益。其中信号放大电路可以选择同相放大器，使得整体电路设计更为简单，其放大倍数为A＝1+R1/R2，其中A为放大倍数，R1，R2为电阻阻值，那么输出电压值为Uo＝A×Ui，其中Ui为信号放大电路的输入电压，Uo为信号放大电路的输出电压。通过可编程光纤延迟来选择合适的光信号延迟时间，实现对于光子探测的区域落至门控信号的下降沿部分，那么时间的探测窗口宽度即为：Twindow＝Ton-Tdelay，其中Ton＝T，如果该方法用于拉曼检测领域，应使Twindow尽可能的小，这样就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_Photons/Sqrt(NRaman_Photons+NBackground+Nfluor)的提高；若用于荧光寿命检测领域，应使Twindow的范围应在ns、us级别，确保荧光寿命曲线能够全部落至门控区间内。
(四)附图说明
图1是基于可编程光纤延迟的探测时间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)、可编程光纤延迟(2)、光纤探头(3)、窄脉冲调制电路(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阵列(9)、时间数字转换器阵列(10)、现场可编程逻辑门阵列(11)组成。
图2是基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统。
图3是基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统中可编程光纤延迟器件示意图，由可编程光开关(21)、第一光纤臂(22)、第二光纤臂(23)、数据传输线(24)组成。
图4是基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统的窄脉冲调制电路电路图。
图5是基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统的信号放大电路电路示意图。
图6是基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统的探测时间窗口示意图。
(五)具体实施方式
图1给出了基于可编程光纤延迟的探测时间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冲激光器(1)、可编程光纤延迟(2)、光纤探头(3)、窄脉冲调制电路(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(阵列(9)、时间数字转换器阵列(10)、现场可编程逻辑门阵列(11)组成。所述系统中：脉冲激光器(1)输出的脉冲激光传输至可编程延时光纤(2)的输入端进行激光信号的延时处理，同时脉冲激光器产生的同步电信号连接至时间数字转换器(10)的开始端和窄脉冲调制电路(4)的输入端。可编程延时光纤(2)的输入端为1×2的可编程光开关(21)，可编程延时光纤末级为2×1的可编程光开关(21)，中间级为2×2可编程光开关。第1级的第一光纤臂(22)长度为L，所有的第二光纤臂(23)长度相同且为尽量短的长度，第2级的第一光纤臂长度为2L，所连结的光开关个数为N个，所以第N-1级可编程光开关的第一光纤臂长度为2n-2L。通过信号传输线(24)传输Dc程控指令，通过n位的二进制数实现对于N个光开关的可编程控制，即Dc＝(DCnDCn-1...DC1)，通过控制每个可编程光开关的DCi来确定选择输出端口。当DCi为1时激光于可编程光开关(21)的Ci输出端口出射，经过第一光纤延迟臂(22)进行延时操作，并于下一级的可编程光开关的Ai+1端口输入；反之，激光从可编程光开关(21)的Di输出口出射经过极短的第二光纤臂(23)进行传输至下一级可编程光开关(21)的Bi+1输入端，依此类推至第N级可编程光开关(21)。根据所设置的可编程光开关控制信号可以得到可编程光纤延迟长度为：LTotal＝L×DC0+2L×Dc1+...+2n-2L×DCn-1，那么总延迟时间为：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。经过延时后从可编程延时光纤输出的激光信号连接至光纤探头(3)，光纤探头(3)可以激发、收集样品的散射光子，光线探头(3)的整体结构与拉曼探头结构相一致，经过带通滤波片、二向色镜、长通滤波片、聚焦镜进行有效的滤除收集散射光子中的激光成分，其中二向色镜可以对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射。其中二向色镜可以对一定波长的光几乎完全透过，而对另一些波长的光几乎完全反射，收集的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(3)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阵列(9)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。所提供的门控宽度由窄脉冲调制电路(4)所决定，通过窄脉冲调制电路(4)的高速缓冲器(41)通过RC进行延时，通过计算开关调控R的电阻值进行实现；根据电路计算公式计算延迟时间常数：τ＝RC，式中R为经过开关后端的R5、R6、R9、R11、R12的电阻值，式中的C为后端所连电容C7，τ为时间常数。那么延迟时间：T＝-τ×ln((E-V)/E)，式中：E为串联电阻和电容之间的电压，V为电容间电压，通过公式计算得到延迟时间。通过氮化镓场效应晶体管(42)来驱动产生门控脉冲信号，将原始同步信号输入至IN+输入端，经过高速缓冲器(41)延时的同步信号输入至IN-端，即可在氮化镓场效应晶体管(42)OUT+端输出窄脉冲信号；其工作原理为仅有当输入IN+为高电平，IN-为低电平时输出OUTH才会为高电平，否则输出OUTH全部为低电平。将输出的脉冲信号连接至信号放大电路(5)，通过将脉冲信号放大连接至单光子雪崩光电二极管阵列(9)，经过耦合直流电源即可将单光子雪崩光电二极管阵列(9)偏压至盖革工作状态。所以经过可编程延时光纤(2)延时后所得到的实际单光子雪崩光电二极管阵列(9)探测光子的时间窗口宽度为：Twindow＝Ton-Tdelay，其中Ton＝T，Twindow＞0，当检测拉曼散射光子时应将Twindow达到ps级别；当进行荧光分子进行检测时若检测荧光寿命值，应将Twindow值设置为ns或us级别，使其确保能够在Twindow时间内完全探测到荧光寿命曲线。当探测窗口时间内测到散射光子信号后就发生淬灭，实现本次的光子检测；单光子雪崩光电二极管阵列(9)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(9)的时间与数量，从而得到时间-光子数的直方图。
Claims (5)
1.一种基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统。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)、可编程延时光纤(2)、光纤探头(3)、窄脉冲调制电路(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阵列(9)、时间数字转换器阵列(10)、现场可编程逻辑门阵列(11)组成；所述系统中脉冲激光器(1)输出的脉冲激光传输至可编程延时光纤(2)的输入端进行激光信号的延时处理，同时脉冲激光器产生的同步电信号传输至窄脉冲调制电路(4)的输入端和时间数字转换器(10)的开始端。可编程延时光纤(2)的输入端为1×2的可编程光开关(21)，输出端为2×1可编程光开关(21)，中间级为2×2的可编程光开关(21)。根据延迟时间的需要通过程序设置可编程光开关(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(24)传输DC程控指令，通过n位的二进制数实现对于N个光开关的可编程控制，即DC＝(DCn DCn- 1...Dc1)，通过控制每个可编程光开关(21)的DCi来选择当前可编程光开关的输出端口。当Dci为1时激光于可编程光开关(21)的Ci输出端口出射，经过第一光纤延迟臂(22)进行延时操作，并于下一级的可编程光开关的Ai+1端口输入；反之，激光从可编程光开关(21)的Di输出口出射经过极短的第二光纤臂(23)进行传输至下一级可编程光开关(21)的Bi+1输入端，依此类推至第n级可编程光开关(21)。经过延时后从可编程延时光纤输出的激光信号连接至光纤探头(3)，光纤探头(3)可以激发、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。散射光子经光纤探头的输出端入射至准直镜(6)，准直镜将发射光子进行准直，出射后的平行光入射至光栅(7)，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阵列(9)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。窄脉冲调制电路(4)将输入的激光同步信号调制为窄脉冲信号后输出至信号放大电路(5)，放大后的脉冲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；在该脉冲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；单光子雪崩光电二极管阵列(9)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(9)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所述的基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统；其特征是：所述系统中的脉冲激光器(1)可以同时产生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、830nm、1064nm。
3.根据权利要求1所述的基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统；其特征是：所述的可编程光纤延迟(2)由N个可编程光开关(21)组成，其中输入端为1×2可编程光开关(21)，输出端为2×1可编程光开关(21)，中间级为2×2可编程光开关(21)。第1级的第一光纤臂(22)长度为L，所有的第二光纤臂(23)长度相同且为尽量短的长度，第2级的第一光纤臂长度为2L，所连结的光开关个数为N个，所以第N-1级可编程光开关的第一光纤臂长度为2n-2L。通过信号传输线(24)传输DC程控指令，通过n位的二进制数实现对于N个光开关的可编程控制，即DC＝(DCn DCn-1...Dc1)，通过控制每个可编程光开关的DCi来确定选择输出端口；当DCi为1时激光于可编程光开关(21)的Ci输出端口出射，经过第一光纤延迟臂(22)进行延时操作，并于下一级的可编程光开关的Ai+1端口输入，反之激光从可编程光开关(21)的Di输出口出射经过极短的第二光纤臂(23)进行传输至下一级可编程光开关(21)的Bi+1输入端，依此类推至第N级可编程光开关(21)。根据可编程光开关的控制位可以计算得到：LTotal＝L×DC1+2L×DC2+...+2n-2L×Dcn-1，式中LTotal为总延时长度，2iL为当前第i档位的长度，DCi为当前第i个档位的控制信号，那么可以计算得到延时时间即为：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所述的基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统；其特征是：所述的窄脉冲调制电路(4)的基本原理是仅有当输入IN+为高电平，IN-为低电平时输出OUTH才会为高电平，否则输出OUTH全部为低电平。具体实现为：通过调整高速缓冲器(41)后端的开关档位调整RC延迟值，根据电路计算公式计算延迟时间常数，τ＝RC，式中R为经过开关后端的R5、R6、R9、R11、R12的电阻值，式中的C为后端所连电容C7，τ为时间常数。那么延迟时间：T＝-τ×ln((E-V)/E)，式中：E为串联电阻和电容之间的电压，V为电容间电压，通过公式计算得到延迟时间。通过氮化镓场效应晶体管(42)来产生门控脉冲信号，原始同步信号输入至IN+输入端，经过高速缓冲器延时的同步信号输入至IN-端，即可在氮化镓场效应晶体管OUT+端输出窄脉冲信号。
5.根据权利要求1所述的基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统；其特征是：所述的信号放大电路(5)通过使用运算放大器来实现，运算放大器的压摆率是用于描述电压的上升/下降速率。该系统中所述的放大器件不需要具有更高、更贵的压摆芯片，可以选择带宽较宽的运算放大器，使得该方案具有更好的经济效益。其中信号放大电路可以选择同相放大器，使得整体电路设计更为简单，其放大倍数为A＝1+R1/R2，其中A为放大倍数，R1，R2为电阻阻值，那么输出电压值为Uo＝A×Ui，其中Ui为信号放大电路的输入电压，UO为信号放大电路的输出电压。通过可编程光纤延迟来选择合适的光信号延迟时间，实现对于光子探测的区域落至门控信号的下降沿部分，那么时间的探测窗口宽度即为：Twindow＝Ton-Tdelay，其中Ton＝T，如果该方法用于拉曼检测领域，应使Twindow尽可能的小，这样就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_Photons/Sqrt(NRaman_Photons+NBackground+Nfluor)的提高；若用于荧光寿命检测领域，应使Twindow的范围应在ns、us级别，确保荧光寿命曲线能够全部落至门控区间内。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310511285.4A CN116659667A (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310511285.4A CN116659667A (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116659667A true CN116659667A (zh) | 2023-08-29 |
Family
ID=87716223
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310511285.4A Pending CN116659667A (zh) | 2023-05-08 | 2023-05-08 | 基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116659667A (zh) |
-
2023
- 2023-05-08 CN CN202310511285.4A patent/CN116659667A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Nissinen et al. | A sub-ns time-gated CMOS single photon avalanche diode detector for Raman spectroscopy | |
| CN102252976B (zh) | 时间分辨拉曼散射特征谱线仪 | |
| CN109164141B (zh) | 光电检测装置、系统和方法 | |
| EP2488842B1 (en) | Measurement of raman radiation | |
| CN102590159A (zh) | 基于单光子计数的瞬态荧光寿命测量方法及测量系统 | |
| US11402269B2 (en) | Advanced fluorescence and systemic noise reduction in time-gated spectroscopy | |
| CN108007584B (zh) | 基于单光子雪崩二极管探测器的快速荧光寿命成像方法 | |
| CN105021281A (zh) | 拉曼散射光谱的测量装置及拉曼散射光谱仪 | |
| CN115855252B (zh) | 一种单光子灵敏度超快光谱测量及光谱成像装置及方法 | |
| CN110108677A (zh) | 生物延迟发光探测系统 | |
| US10215630B2 (en) | Raman spectroscopy systems and raman spectroscopy methods | |
| US20220057317A1 (en) | Photon counting and multi-spot spectroscopy | |
| CN114460061A (zh) | 一种时间门控拉曼光谱系统及拉曼光谱校正方法 | |
| CN108051413A (zh) | 一种脉冲光激发的光致发光光谱测量系统 | |
| Li et al. | Design of a room-temperature, sine-wave gated, InGaAs/InP SPAD based photon counting system with dead-time mitigation | |
| CN116659667A (zh) | 基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统 | |
| CN219038184U (zh) | 一种时间分辨拉曼光谱装置 | |
| CN118190906A (zh) | 一种基于1×n光开关的时间门控探测窗口可调检测系统 | |
| CN118758913A (zh) | 一种基于差分探测器的高信噪比拉曼光谱测量 | |
| CN115607110A (zh) | 一种基于自体荧光的乳腺肿瘤检测系统 | |
| CN219496161U (zh) | 一种远程时间门控位移差分拉曼光谱测量装置 | |
| Madonini et al. | SPAD Sensors for Time-Gated Raman Spectroscopy | |
| CN118169100A (zh) | 基于光纤延时探测窗口可调的多功能检测系统 | |
| CN118518643B (zh) | 光谱型荧光寿命测量装置 | |
| Yamamoto et al. | Multiwavelength spectral photon detection system with 10.9 nm resolution capable of perform data stream at 420Gs/s |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |