[发明专利]拉曼散射光谱的测量装置及拉曼散射光谱仪

说明书

本发明实施例提供一种拉曼散射光谱的测量装置及拉曼散射光谱仪，其中，该装置包括：脉冲激光器发射出的一路激光激发样品产生拉曼散射光信号；拉曼散射光路将拉曼散射光信号传输到光栅单色仪；光栅单色仪将拉曼散射光信号传输给信号光探测器；脉冲激光器发射另一路激光至参考光探测器，参考光探测器根据激光输出拉曼散射事件的计时开始信号；信号光探测器在以计时开始信号为起始的预设时间段内，对拉曼散射光信号的每个光脉冲所包含的光子数进行精确计数测量，光探测器为硅光电倍增器；光谱生成装置根据拉曼散射光信号所有光脉冲的光子数生成拉曼散射光谱。该方案提高时间分辨率、提高光子计数效率、提高信噪比和检测速度。

技术领域

本发明涉及物质探测技术领域，特别涉及一种拉曼散射光谱的测量装置及拉曼散射光谱仪。

背景技术

近年来一种来源于核物理半导体探测器研究的硅光电倍增器(又叫硅光电倍增管，SiPM或MPPC)受到研究人员的广泛关注[参见D.Renker,“Geiger-mode avalanchephotodiodes,history,properties and problems”,Nuclear Instruments and Methodsin Physics Research A 567(2006)48–56；艾莲娜·V·波波娃等，“硅光电倍增器(变形)及硅光电倍增器单元”，申请号：200580019248.1]。SiPM由数百至数千个直径为十几至几十微米的雪崩光电二极管(APD)单元集成在同一个单晶硅片上构成。所有APD单元并联输出，共用1个负载，每一个APD单元工作在击穿电压之上，即工作在“盖革”模式下，每一个APD单元都串联一个约几百千至几兆欧姆的电阻用于APD单元的雪崩淬灭和电压恢复。当光信号入射到SiPM上时，光生载流子将触发APD单元发生雪崩击穿，光电转换增益可达10⁵-10⁷，在动态范围的线性区内，输出脉冲信号的幅度或面积正比于发生雪崩击穿的APD单元的数目，因而也正比于一个光脉冲包含的光子数。SiPM的优点是具有极佳的光子数分辨本领、时间分辨率高(优于100皮秒)、体积小、工作电压低、便于集成。其缺点是探测效率与动态范围相互抵触，不易兼顾；暗计数率较高，光学串话较为严重[参见D.Renker,“Geiger-modeavalanche photodiodes,history,properties and problems”,Nuclear Instrumentsand Methods in Physics Research A 567(2006)48–56]。

另外，拉曼散射是光子与分子相互作用时发生的一种非弹性散射，它反映了分子结构的信息，不同种类的分子拉曼散射光谱不同，因此拉曼光谱具有“指纹”特征(即包含特征谱线结构)，可以作为检测物质成分与结构的一种手段[参见Ewen Smith,GeoffreyDent,Modern Raman Spectroscopy:A Practical Approch,ISBN0-471-49668-5,JohnWiley&Sons,Ltd，2005]。拉曼散射对于任何尺寸、形状、透明度的样品，都可以直接甚至远距离测量，而且一般不需要添加任何反应试剂或标记物。它在物理、化学、生物、制药、环保等各个领域有重要应用。拉曼散射信号极其微弱，一般仅为激发光信号强度的10^-9-10^-11[参见Ewen Smith,Geoffrey Dent,Modern Raman Spectroscopy:A Practical Approch,ISBN0-471-49668-5,John Wiley&Sons,Ltd，2005]。常规拉曼光谱仪大多采用CCD(电荷耦合器件)作为光探测器，其优点是系统相对比较简单、使用可靠、操作方便。其缺点是时间分辨率低、存在样品或背底荧光干扰。