[发明专利]一种超灵敏光谱仪以及光谱检测方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及一种超灵敏光谱仪以及光谱检测方法。

背景技术

大量的生命科学、材料科学、化学、能源科学的研究必不可少地需要了解研究对象中所包含的成份在不同波长下的光强分布，光谱分析是获得成份分析最有效的无损分析手段之一。传统光谱仪需将一维光谱以辅助扫描的方式来实现，带来的弊端是采样时间必须给扫描留出充分的空间，不仅如此，必须采用线或面元探测器进行探测。因而存在两大棘手问题：维度问题和灵敏度问题。

根据光谱仪所采用的分解光谱的原理，可以将其分成两大类：经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪是建立在空间色散（分光）原理上的仪器；新型光谱仪是建立在调制原理上的仪器，故又称为调制光谱仪。经典光谱仪依据其色散原理可将仪器分为：棱镜光谱仪、衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪。其中，传统光栅扫描光谱仪的入射光线和出射光线的方向是固定的，在光栅转动下进行分光。而干涉光谱仪的原理是：当其动镜移动时，经过干涉仪的两束相干光间的光程差就改变，探测器所测得的光强也随之变化，从而得到干涉图，经过傅里叶变换的数学运算后，就可得到入射光的光谱。经典光谱仪本质上都是通过光栅扫描或动镜移动来提高光谱仪分辨率，但提高幅度有限。

传统光谱仪的波长相应范围也受限于灵敏度和光路，可正常工作的波段十分有限，通常光谱范围很窄，如紫外光谱仪185～400nm，可见光光谱仪380～780nm，近红外光谱仪780～2500nm等，尚无能涵盖超宽光谱的光谱仪问世。

由于绝大多数光谱仪仍采用线阵或面阵探测器，如CCD、ICCD、EMCCD等，通常利用多通道的测量来使信噪比提高。而对极弱光进行探测时需要曝光一定时间，也称积分时间，平均到单位像素上的光通量很小，极难准确测量落在该像元上的光强值。而最小积分时间直接决定了该线阵或面阵探测器能测量多少强度的光信号，归结起来，是灵敏度的问题。这个指标是衡量光学系统收集光的能力的关键指标。该指标在计算上类似于亮度的指标，其实真正限制光谱仪的物理量是亮度，而不是通量。分辨率乘以灵敏度是衡量光谱仪性能指标的关键指标。分辨率也称光谱带宽，通过它能够定性、定量地分析待测物体的光谱强度信息。而灵敏度与外光路和电路部分有关：在光路上，受光学元件收集效率和杂散光的影响，可在光谱带垂直方向增加像元，提供更高的有效测量高度，进而在垂直方向上收集更多的光信号，它们累加起来可以大大提高对光信号的收集效率；而在电路方面，只能依靠探测器灵敏度的提升，目前ICCD、EMCCD都号称可以做到单光子探测，但需深度半导体制冷，成本昂贵，ICCD具有纳秒级的门宽，可实现高时间分辨，但空间分辨率有明显损失，而EMCCD空间分辨率较好，但只能实现毫秒级时间分辨，两者共同问题都是弱光下对仪器噪声的控制以及线性输出。总之，现有的光谱仪在灵敏度上存在不足，特别是对于灵敏度有特定要求的应用场合。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的光谱仪在灵敏度上的不足，从而提供一种超灵敏光谱仪。

为了实现上述目的，本发明提供了一种超灵敏光谱仪，包括光学单元I和电学单元II；其中，光学单元I包括入射狭缝1、光准直部件2、凹面镜3、光栅分光部件4、空间光调制器5、会聚收光部件6；所述凹面镜3包括第一凹面镜3-1，第二凹面镜3-2；电学单元II包括随机数发生器9、单光子点探测器10、计数器11、控制模块12、数据包存储器13以及压缩感知模块14；

单光子级别的待测极弱光经由所述入射狭缝1入射，然后通过所述光准直部件2和第一凹面镜3-1对待测极弱光做扩束和准直，使所述待测极弱光成为平行光；所述平行光照射到所述光栅分光部件4生成光栅反射光场，再经过所述第二凹面镜3-2反射，进而在所述空间光调制器5上展开形成光谱带；所述空间光调制器5对所形成的光谱带进行随机调制，使得其出射光以一定的随机概率向会聚收光部件6发射；所述会聚收光部件6滤除杂散光，将过滤后的待测极弱光传输到所述电学单元II中的单光子点探测器10；