[发明专利]一种光谱测量装置和方法

说明书

本发明公开了一种光谱测量装置和方法，装置包括：激光模块、信号激发与收集模块、光谱仪、光电倍增阵列探测模块和控制与采集模块；激光模块用于产生激光；信号激发与收集模块用于在所述激光的激发下产生信号光子，并收集信号光子；光谱仪用于对信号光子进行空间色散分光，并采用光纤阵列接收和传输色散光；光电倍增阵列对色散光进行光电转换和倍增放大，采集数据获得光谱。本发明采用光电倍增阵列作为光谱测量装置的核心部件，以取代传统光谱仪中所使用的灵敏度较低的CCD相机，可大幅提升光谱探测灵敏度和光谱采集速度。同时本发明通过联用光电倍增阵列与光纤阵列，实现了光学结构更为简洁的光谱仪，极大的减小了光谱仪的体积和重量。

技术领域

本发明属于光谱测量技术领域，更具体地，涉及一种光谱测量装置和方法。

背景技术

人们利用拉曼光谱技术来对样品的化学成分进行分子识别，拉曼光谱拥有快速性、高分辨率性和简单性等优点，在如今的生命科学、分析化学、地质探测和工业等领域内有广泛的应用。

拉曼光谱(Raman spectroscopy)是一种基于分子振动的振动光谱技术。拉曼散射最早来源于印度学家C.V.Raman在1928年发现的拉曼散射(Raman scattering)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。拉曼散射因其优异的化学特异性、化学选择性和无标记性，在许多科学领域内有着广泛的应用前景。

传统光谱仪在仪器设计和架构上长期以来基本沿袭Czerny-Turner构型和采用低温制冷二维CCD或者CMOS阵列作为核心光电探测器，实现微弱的拉曼光谱测量。CCD阵列中的像元，大都采用半导体材料，检测灵敏度低，通常为1A/W左右，即1瓦功率的光子在PD探头上只能产生1安培的电流。即使商用CCD相机芯片降温到-70摄氏度的情况下，探头的电子噪声仍然很高。同时，CCD相机中像素的数量通常在百万量级左右，数据读取时间长且伴随着读取噪声，因此传统光谱仪一直面临灵敏度低、光谱积分时间长、光谱采集速度慢(单个光谱采集需要1秒或更长时间)等问题。除此之外，大多数分子在通常情况下的拉曼散射截面都在10^-30量级，拉曼光谱信号极为微弱，容易受到环境光、杂散光和荧光的强烈干扰。传统光谱仪使用的CCD相机体积较大，电路复杂。

因为CCD相机的使用，传统光谱仪中的光路部分也较为复杂，通常需要使用两个凹面镜配合反射式光栅来实现光路折叠，这样复杂的光路设计不仅导致离轴像差和球场，降低光谱分辨率，也导致了光谱仪的体积较大；此外，传统CCD相机对微弱的光谱信号探测能力有限，灵敏度远远低于光电倍增管、硅PMT、APD等具有单光子探测极限的光电探测器。但这些极高灵敏度的光电探测器体积也较大，只能应用于单通道探测，无法集成到一个很小的空间内，正是这一关键问题无法解决，导致一直以来只能使用灵敏度更低、体积更大的CCD相机。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种光谱测量装置和方法，旨在解决现有光谱仪技术灵敏度低的问题，替代CCD相机实现光谱的单光子水平的探测；同时解决光谱仪小型化问题，实现光谱仪更为简单的光路结构。

本发明提供了一种光谱测量装置，包括：激光模块、信号激发与收集模块、光谱仪、光电倍增阵列探测模块和控制与采集模块；激光模块用于产生稳定的激光；信号激发与收集模块用于在所述激光的激发下产生信号光子，并收集输出；光谱仪用于对所述信号光子进行空间色散，采用光纤阵列接收色散光；光电倍增阵列探测模块用于对色散光进行光电转换的同时进行倍增后获得光谱；控制与采集模块用于控制激光的开关与光电倍增阵列的信号采集。

本发明将光电倍增管集成在极小的空间内，并设计了更为简单高效的光路，大大减小了光谱仪体积，同时也提高了灵敏度。