[发明专利]基于时间相关单光子探测技术的多功能光纤探针系统

权利要求书

1.一种基于时间相关单光子探测技术的多功能光纤探针系统。其特征是：它由脉冲激光器1、单模传输光纤2、光耦合器3、多通道结构光纤探针4、长波通滤波片6、色散分光器件7、单光子探测器系统8、时间相关单光子计数系统9和数据处理系统10组成。当所述系统对物质进行测量时，脉冲激光器1产生脉冲光信号分别通过单模传输光纤2和光耦合器3后输入至多通道结构光纤探针4的外围纤芯中传输，并在其光纤端面汇聚以对测试样品5进行高效激发。与此同时，脉冲激光器1输出一个同步脉冲电信号触发时间相关单光子计数系统9进行计时。测试样品5被脉冲光信号激发并且发出包括弹性散射，拉曼散射以及荧光在内的混合探测光信号。混合探测光信号将通过多通道结构光纤探针4的中心纤芯进行传输并通过光耦合器3出射至长波通滤波片6。混合探测光信号经过长波通滤波片6去除弹性散射光信号后，入射至色散分光器件7进行波长选择，单光子探测器8在微位移电机的控制下分别对不同波长的光信号进行探测。在脉冲激光器1发出脉冲激光后，当吸收一个光子后，单光子探测器8会输出一个脉冲信号，使时间相关单光子计数器9停止计时，得到一个激光器输出脉冲光和混合探测光信号之间的一个时间间隔并输出至数据处理系统10。经过多个激光脉冲周期，时间相关单光子计数器9会记录到一系列时间间隔并输出至数据处理系统10进行数据处理。数据处理系统10将混合探测光信号中的拉曼散射信号和荧光信号进行分离，并分别进行拉曼光谱分析，同时也可以对荧光信号进行荧光寿命分析以实现对测试样品的多功能测量。

2.根据权利要求1所述的多通道结构光纤探针4可以是围绕中心纤芯的对称分布的多芯光纤或者具有同心圆环形纤芯的同轴双通道光纤中的一种。多通道结构光纤探针4中的外围纤芯(或者是环形纤芯)用于传输脉冲激光器1发出的脉冲光信号，其中心纤芯则用于传输测试样品5被脉冲光信号激发并且发出的混合探测光信号。在其光纤端面进行研磨等微加工，形成圆锥体形状，使得外围纤芯中所传输的激发光信号经过锥体圆台的反射后交汇在光纤端面，从而形成强聚焦光场用于高效激发测试样品5。

3.根据权利要求1所述的单光子探测器系统8可以是微位移电机结合光电倍增管、超导单光子探测器或者半导体单光子探测器中的一种组成的单光子探测器系统。

4.根据权利要求1所述的数据处理系统10，其特征是：数据处理系统10将时间相关单光子计数器9记录到一系列的时间间隔进行处理，从而得到与混合探测光信号发射时间相关的光子计数(光强)分布直方图。数据处理系统10将对所探测到的混合光信号中通过对这个直方图数据进行处理和分析，利用混合探测光信号中的拉曼散射光发射、弛豫时间和荧光的发射时间的差异，在时域上进行分离和处理，分别进行拉曼光谱、荧光光谱以及荧光寿命的多功能测量和分析。