一種超靈敏時間分辨光譜儀及其時間分辨方法技術

本發明專利技術涉及一種超靈敏時間分辨光譜儀，包括：光學單元和電學單元，其中，光學單元包括入射狹縫、光準直部件、凹面鏡、光柵分光部件、空間光調制器以及會聚收光部件；凹面鏡包括第一凹面鏡和第二凹面鏡；電學單元包括隨機數發生器、單光子點探測器、計數器、時間測量儀、控制模塊、數據包存儲器以及壓縮感知模塊；待測極弱光經由入射狹縫入射，通過光準直部件和第一凹面鏡做擴束和準直，成為平行光；平行光照射到光柵分光部件；所生成的光譜場經過第二凹面鏡反射，在空間光調制器上展開成光譜帶；空間光調制器對光譜帶進行隨機調制，使得其出射光以一定的隨機概率向會聚收光部件反射；會聚收光部件濾除雜散光，將過濾后的光傳輸到單光子點探測器。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及光學領域，特別涉及。
技術介紹
當前，國際現階段用于瞬態極弱光(如熒光壽命)測量的技術主要有單分子探測技術、時間分辨技術和超分辨率測量技術。其中:(I)單分子探測技術主要有寬場共聚焦突光顯微技術、掃描近場光學顯微(SNOM)技術、全內反射突光顯微(TIRF)技術、原子力光學顯微(AFOM)和拉曼散射技術；(2)時間分辨技術主要有熒光壽命成像(FUM)、雙光子熒光壽命顯微成像、熒光壽命相關光譜(FCS)技術和多維度熒光壽命顯微技術；(3)超分辨率測量技術主要有受激發射損耗顯微(STED)技術、位置敏感顯微(PALM、ST0RM、dST0RM、GSDM)技術、光學漲落顯微(SOFI)技術和熒光共振能量轉移顯微技術(FRET )。對于生物大分子的熒光壽命成像及相關光譜定量測量方法是，先用FLIM或FCS系統進行單點熒光壽命及相關光譜測量，然后，采用激光束掃描或樣品掃描系統進行生物大分子熒光壽命及相關光譜成像測量。由于納米位移掃描平臺的穩定性差、掃描過程復雜，不僅增加了制造成本，也極大延長了納米材料和生物大分子的測試時間，成功率也受到顯著影響。對于納米材料高分辨率顯微結構成像測量方法，通常是采用電子掃描顯微鏡進行圖形表征，由于高能電子電離會損傷被測樣品，無法進行生物活性分子及納米材料的無損成像測量。上述這些技術的通病是無法同時對觀測對象進行相關光譜分析和時間分辨工作。隨著科研的需求逐漸向高時間分辨、多波段、探測快速、光子激發等方向發展，這些功能越發顯得無法滿足日益增長的實際需求，迫切需要一種能夠同時對觀測對象進行光譜分析和時間分辨的儀器。專利技術內容本專利技術的目的在于克服現有技術中的裝置無法同時對觀測對象進行光譜分析和時間分辨的缺陷，從而提供一種能夠同時實現光譜分析和時間分辨的裝置。為了實現上述目的，本專利技術提供了一種超靈敏時間分辨光譜儀，包括:光學單元I和電學單元II，其中，所述光學單元I包括入射狹縫1、光準直部件2、凹面鏡3、光柵分光部件4、空間光調制器5以及會聚收光部件6 ;所述凹面鏡3有兩個，包括第一凹面鏡3-1和第二凹面鏡3-2 ;所述電學單元II包括隨機數發生器9、單光子點探測器10、計數器11、時間測量儀12、控制模塊14、數據包存儲器15以及壓縮感知模塊16 ；單光子級別的待測極弱光經由所述入射狹縫I入射，然后通過所述光準直部件2和第一凹面鏡3-1對待測極弱光做擴束和準直，使所述待測極弱光成為平行光；所述平行光照射到所述光柵分光部件4 ;所述光柵分光部件4所生成的光譜場再經過所述第二凹面鏡3-2反射，進而在所述空間光調制器5上展開形成光譜帶；所述空間光調制器5對所形成的光譜帶進行隨機調制，使得其出射光以一定的隨機概率向所述會聚收光部件6反射；所述會聚收光部件6用于濾除雜散光，將過濾后的待測極弱光傳輸到所述電學單元II中的單光子點探測器10 ；所述隨機數發生器9產生隨機數并提供給所述空間光調制器5，每一空間光調制器5中區域總像素長度的隨機數組成一個隨機基，所述空間光調制器5根據該隨機基實現隨機調制；所述的單光子點探測器10探測待測極弱光中的各個單光子點，將采集到的光信號轉換成有效脈沖信號后輸出；所述計數器11記錄所述單光子點探測器10探測到的單光子點的數目；所述的時間測量儀12記錄單光子點到達的時間；所述控制模塊14對整個超靈敏光譜儀進行控制協調，包括對各部件的使能和觸發脈沖控制，確保所述計數器11、空間光調制器5和時間測量儀12之間的步調一致；所述計數器11所記錄的單光子點的數目、時間測量儀12所記錄的時間信息以及隨機數發生器9生成的隨機基一起打包存入所述數據包存儲器15中，所述壓縮感知模塊16根據單光子點的數目、時間信息、隨機基實現光譜帶信號重建，最后輸出分辨光譜強度圖。上述技術方案中，所述光學單元I還包括反射鏡7以及出射狹縫8 ;所述反射鏡7位于第二凹面鏡3-2與空間光調制器5的光路之間，用于將光譜反射至所述出射狹縫8，以供其它類型探測器接收或進入其它光學系統進行測量研究。上述技術方案中，所述電學單元II還包括數字延遲器13，所述數字延遲器13在所述控制模塊14的控制下，完成對所述單光子點探測器10的皮秒級門控。上述技術方案中，所述光柵分光部件4將不同波長的光場按波長從短到長依次投射到所述空間光調制器5的不同位置上。上述技術方案中，所述空間光調制器5采用數字微鏡器件實現。上述技術方案中，將所述數字微鏡器件的對角線作為所述光譜帶的成像位置。上述技術方案中，所述會聚收光部件6包括濾光片和衰減片。上述技術方案中，所述單光子點探測器10采用蓋革模式雪崩二極管或光電倍增管實現。上述技術方案中，所述控制模塊14確保所述計數器11和空間光調制器5之間步調一致包括:所述空間光調制器5中的微鏡陣列每翻轉一次，所述計數器11累積計數在該翻轉時間間隔內檢測到的所有光子，翻轉完成后，計數器11清零。上述技術方案中，所述壓縮感知模塊16采用下列算法中的任意一種實現壓縮感知:貪心重建算法、匹配跟蹤算法MP、正交匹配跟蹤算法0MP、基跟蹤算法BP、LASSO、LARS,GPSR、貝葉斯估計算法、magi C、1ST、TV、StOMP、CoSaMP、LB1、SP、ll_ls、smp 算法、SpaRSA 算法、TwIST算法、10重建算法、I1重建算法、I2重建算法。本專利技術還提供了一種基于所述的超靈敏時間分辨光譜儀的時間分辨方法，用于實現對非周期變化的長時間序列的時間分辨，包括:步驟I)、單光子入射的步驟；單光子級別的待測極弱光經由所述入射狹縫I入射，然后通過所述光準直部件2和第一凹面鏡3-1對待測極弱光做擴束和準直，使所述待測極弱光成為平行光；所述平行光照射到所述光柵分光部件4 ;所述光柵分光部件4所生成的光譜場再經過所述第二凹面鏡3-2反射，進而在所述空間光調制器5上展開形成光譜帶；所述空間光調制器5對所形成的光譜帶進行隨機調制，使得其出射光以一定的隨機概率向所述會聚收光部件6反射；所述會聚收光部件6用于濾除雜散光，將過濾后的待測極弱光傳輸到所述電學單元II中的單光子點探測器10 ；步驟2)、檢測單光子并計數的步驟；所述單光子點探測器10探測待測極弱光中的各個單光子點，將采集到的光信號轉換成有效脈沖信號后輸出；在待測物體還未來得及變化的時間間隔內，空間光調制器5每翻轉一次，所述計數器11記錄達到單光子點檢測器10上的單光子點的數目，將其作為測量值;步驟3)、壓縮感知的步驟；所述計數器11所記錄的單光子點的數目和隨機數發生器9生成的隨機基一起打包存入所述數據包存儲器13中，最后導入所述壓縮感知模塊14中，在該模塊中實現光譜帶信號重建，恢復出該時間間隔內的光譜強度圖；步驟4)、在待測極弱光發生變化后到還未發生下一次變化的時間間隔內，重復上述操作，實現非周期變化的長時間序列過程的時間分辨。本專利技術又提供了一種基于所述的超靈敏時間分辨光譜儀所實現的基于時間間隔測量的時間分辨方法，用于對周期為1.5ms 5ms的瞬態過程進行時間分辨；包括:步驟I)、開啟光源，假設瞬態周期為T，將該時間周期等分為d個時間間隔，記做t1； t2, t3,…，td，在該周期T內保持所述空間光調制器5中的微鏡陣列固定一幀不變；步驟2本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種超靈敏時間分辨光譜儀，其特征在于，包括：光學單元（I）和電學單元（II），其中，所述光學單元（I）包括入射狹縫（1）、光準直部件（2）、凹面鏡（3）、光柵分光部件（4）、空間光調制器（5）以及會聚收光部件（6）；所述凹面鏡（3）有兩個，包括第一凹面鏡（3?1）和第二凹面鏡（3?2）；所述電學單元（II）包括隨機數發生器（9）、單光子點探測器（10）、計數器（11）、時間測量儀（12）、控制模塊（14）、數據包存儲器（15）以及壓縮感知模塊（16）；單光子級別的待測極弱光經由所述入射狹縫（1）入射，然后通過所述光準直部件（2）和第一凹面鏡（3?1）對待測極弱光做擴束和準直，使所述待測極弱光成為平行光；所述平行光照射到所述光柵分光部件（4）；所述光柵分光部件（4）所生成的光譜場再經過所述第二凹面鏡（3?2）反射，進而在所述空間光調制器（5）上展開形成光譜帶；所述空間光調制器（5）對所形成的光譜帶進行隨機調制，使得其出射光以一定的隨機概率向所述會聚收光部件（6）反射；所述會聚收光部件（6）濾除雜散光，將過濾后的待測極弱光傳輸到所述電學單元（II）中的單光子點探測器（10）；所述隨機數發生器（9）產生隨機數并提供給所述空間光調制器（5），每一空間光調制器（5）中區域總像素長度的隨機數組成一個隨機基，所述空間光調制器（5）根據該隨機基實現隨機調制；所述的單光子點探測器（10）探測待測極弱光中的各個單光子點，將采集到的光信號轉換成有效脈沖信號后輸出；所述計數器（11）記錄所述單光子點探測器（10）探測到的單光子點的數目；所述的時間測量儀（12）記錄單光子點到達的時間；所述控制模塊（14）對整個超靈敏光譜儀進行控制協調，包括對各部件的使能和觸發脈沖控制，確保所述計數器（11）、空間光調制器（5）和時間測量儀（12）之間的步調一致；所述計數器（11）所記錄的單光子點的數目、時間測量儀（12）所記錄的時間信息以及隨機數發生器（9）生成的隨機基一起打包存入所述數據包存儲器（15）中，所述壓縮感知模塊（16）根據單光子點的數目、時間信息、隨機基實現光譜帶信號重建，最后輸出分辨光譜強度圖。...

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：翟光杰，俞文凱，王超，
申請(專利權)人：中國科學院空間科學與應用研究中心，
類型：發明
國別省市：