[发明专利]一种超灵敏时间分辨光谱仪及其时间分辨方法

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时间分辨光谱仪及其时间分辨方法。

背景技术

当前，国际现阶段用于瞬态极弱光（如荧光寿命）测量的技术主要有单分子探测技术、时间分辨技术和超分辨率测量技术。其中：（1）单分子探测技术主要有宽场共聚焦荧光显微技术、扫描近场光学显微（SNOM）技术、全内反射荧光显微（TIRF）技术、原子力光学显微（AFOM）和拉曼散射技术；（2）时间分辨技术主要有荧光寿命成像（FLIM）、双光子荧光寿命显微成像、荧光寿命相关光谱（FCS）技术和多维度荧光寿命显微技术；（3）超分辨率测量技术主要有受激发射损耗显微（STED）技术、位置敏感显微（PALM、STORM、dSTORM、GSDIM）技术、光学涨落显微（SOFI）技术和荧光共振能量转移显微技术（FRET）。

对于生物大分子的荧光寿命成像及相关光谱定量测量方法是，先用FLIM或FCS系统进行单点荧光寿命及相关光谱测量，然后，采用激光束扫描或样品扫描系统进行生物大分子荧光寿命及相关光谱成像测量。由于纳米位移扫描平台的稳定性差、扫描过程复杂，不仅增加了制造成本，也极大延长了纳米材料和生物大分子的测试时间，成功率也受到显著影响。对于纳米材料高分辨率显微结构成像测量方法，通常是采用电子扫描显微镜进行图形表征，由于高能电子电离会损伤被测样品，无法进行生物活性分子及纳米材料的无损成像测量。上述这些技术的通病是无法同时对观测对象进行相关光谱分析和时间分辨工作。随着科研的需求逐渐向高时间分辨、多波段、探测快速、光子激发等方向发展，这些功能越发显得无法满足日益增长的实际需求，迫切需要一种能够同时对观测对象进行光谱分析和时间分辨的仪器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的装置无法同时对观测对象进行光谱分析和时间分辨的缺陷，从而提供一种能够同时实现光谱分析和时间分辨的装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种超灵敏时间分辨光谱仪，包括：光学单元I和电学单元II，其中，所述光学单元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以及会聚收光部件6；所述凹面镜3有两个，包括第一凹面镜3-1和第二凹面镜3-2；所述电学单元II包括随机数发生器9、单光子点探测器10、计数器11、时间测量仪12、控制模块14、数据包存储器15以及压缩感知模块16；

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；所述光栅分光部件4所生成的光谱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所述会聚收光部件6反射；所述会聚收光部件6用于滤除杂散光，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；

所述随机数发生器9产生随机数并提供给所述空间光调制器5，每一空间光调制器5中区域总像素长度的随机数组成一个随机基，所述空间光调制器5根据该随机基实现随机调制；所述的单光子点探测器10探测待测极弱光中的各个单光子点，将采集到的光信号转换成有效脉冲信号后输出；所述计数器11记录所述单光子点探测器10探测到的单光子点的数目；所述的时间测量仪12记录单光子点到达的时间；所述控制模块14对整个超灵敏光谱仪进行控制协调，包括对各部件的使能和触发脉冲控制，确保所述计数器11、空间光调制器5和时间测量仪12之间的步调一致；所述计数器11所记录的单光子点的数目、时间测量仪12所记录的时间信息以及随机数发生器9生成的随机基一起打包存入所述数据包存储器15中，所述压缩感知模块16根据单光子点的数目、时间信息、随机基实现光谱带信号重建，最后输出分辨光谱强度图。

上述技术方案中，所述光学单元I还包括反射镜7以及出射狭缝8；所述反射镜7位于第二凹面镜3-2与空间光调制器5的光路之间，用于将光谱反射至所述出射狭缝8，以供其它类型探测器接收或进入其它光学系统进行测量研究。

上述技术方案中，所述电学单元II还包括数字延迟器13，所述数字延迟器13在所述控制模块14的控制下，完成对所述单光子点探测器10的皮秒级门控。

上述技术方案中，所述光栅分光部件4将不同波长的光场按波长从短到长依次投射到所述空间光调制器5的不同位置上。

上述技术方案中，所述空间光调制器5采用数字微镜器件实现。