基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统，本发明可用于极微弱时间分辨拉曼光谱检测，消除强背景荧光的干扰，可广泛用于材料分析、生物医学、毒品检测、矿物检测等领域，属于光电探测技术领域。

(二)背景技术

拉曼检测通常会受到检测样品的背景荧光干扰而导致待测样品的拉曼信息被覆盖使得其无法准确测量，而时间门控技术能够很好地解决样品荧光背景强的问题。工作原理是利用拉曼信号与荧光信号的响应速度与时间寿命不同，通过控制探测器的开关时间，仅允许拉曼信号被探测，而荧光信号被屏蔽探测。拉曼信号是瞬时产生的且其寿命为ps级别，因而拉曼信号持续时间基本是与激光同步。而荧光信号的响应速度慢，大多数的物质背景荧光寿命基本在ns、us级别，所以可以通过在时域上进行调整探测器的开启与关闭时间来分离拉曼信号与荧光信号。在拉曼信号到来时开启探测器，拉曼信号消失后立即关闭探测器。由于一般背景荧光的寿命在纳秒级别，所以拉曼信号的持续探测时间在500ps以下，两者分离的效果才可能满足实际拉曼测试需求。在如此短的时间控制探测器的开关，即要求探测器的开关响应时间快，同时也需要电子器件具有超强的能力可以产生低于500ps脉宽的脉冲。目前时间门控拉曼检测技术常用的探测器包括门控增强型CCD和光电倍增管，以及单光子雪崩光电二极管阵列。单光子雪崩光电二极管阵列进行时间门控拉曼检测具有巨大的潜力与优势；单光子雪崩光电二极管的工作原理是利用光电效应，对其探测的单个光子进行重复性计数，从而达到对微弱信号的探测。与光电倍增管相比，单光子雪崩光电二极管阵列所需要的偏置击穿电压更小、产品体积更小、探测灵敏度更高。同时因为其采用CMOS工艺制造，相对于门控增强型CCD，成本更低。

研究人员为了调整光子到达探测器的测量时间，以达到抑制荧光光子探测提高拉曼荧光信噪比的目的。E V.EFREMOV等采用的是使用ICCD，通过使用光电二极管来驱动门控增强器件用于给探测器进行提供供电门控电压，通过使用反射镜之间反射，以实现的激光信号的延迟。(E V.EFREMOV，et al.，“Fluorescence Rejection in Resonance RamanSpectroscopy Using a Picosecond-Gated Intensified Charge-Coupled DeviceCamera.”Chemistry，Physics Applied Spectroscopy.”BioAnalytical Chemistry，.61(6)：571-8，2001)；Martin

为了解决以上问题，本发明公开了一种可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统，可用于材料检测生物医学检测，毒品检测和矿物检测等领域。本发明在时间门控检测系统中实现了简易操作的光学信号延迟的方法，通过电脑传输D

(三)发明内容

本发明的目的在于提供一种基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统。其特征是：可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统是由脉冲激光器(1)、可编程光纤延迟(2)、光纤探头(3)、窄脉冲调制电路(4)、信号放大电路(5)、准直镜(6)、光栅(7)、聚焦镜(8)、单光子雪崩光电二极管阵列(9)、时间数字转换器阵列(10)、现场可编程逻辑门阵列(11)组成。

本发明的目的是这样实现的：脉冲激光器(1)输出的脉冲激光传输至可编程延时光纤(2)的输入端进行激光信号的延时处理，同时脉冲激光器产生的同步电信号连接至窄脉冲调制电路(4)的输入端和时间数字转换器(10)的开始端。可编程延时光纤(2)的输入端为1×2的可编程光开关(21)，输出端为2×1可编程光开关，中间级为2×2的可编程光开关。根据延迟时间的需求通过程序设置可编程光开关的D

所述系统中的脉冲激光器可以同时产生与脉冲激光同步的电脉冲信号，常见的脉冲激光器波长为532nm、660nm、785nm、830nm、1064nm。

所述的可编程光纤延迟(2)由N个可编程光开关(21)组成，其中输入端为1×2可编程光开关(21)，输出端为2×1可编程光开关(21)，中间级为2×2可编程光开关(21)。第1级的第一光纤臂(22)长度为L，所有的第二光纤臂(23)长度相同且为尽量短的长度，第2级的第一光纤臂长度为2L，所连结的光开关个数为N个，所以第N-1级可编程光开关的第一光纤臂长度为2

所述的窄脉冲调制电路(4)的基本原理是仅有当输入IN+为高电平，IN-为低电平时输出OUTH才会为高电平，否则输出OUTH全部为低电平。具体实现为：通过调整高速缓冲器(41)后端的开关档位调整RC延迟值，根据电路计算公式计算延迟时间常数，τ＝RC，式中R为经过开关后端的R

所述的信号放大电路(5)通过使用运算放大器来实现，运算放大器的压摆率是用于描述电压的上升/下降速率。该系统中所述的放大器件不需要具有更高、更贵的压摆芯片，可以选择带宽较宽的运算放大器，使得该方案具有更好的经济效益。其中信号放大电路可以选择同相放大器，使得整体电路设计更为简单，其放大倍数为A＝1+R

(四)附图说明

图1是基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统结构示意图。可编程调节光纤延时的门控拉曼检测系统由脉冲激光器(1)、可编程光纤延迟(2)、光纤探头(3)、窄脉冲调制电路(4)、信号放大电路(5)、准直镜(6)、光栅(7)、聚焦镜(8)、单光子雪崩光电二极管阵列(9)、时间数字转换器阵列(10)、现场可编程逻辑门阵列(11)组成。

图2是基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统。

图3是基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统中可编程光纤延迟器件示意图，由可编程光开关(21)、第一光纤臂(22)、第二光纤臂(23)、数据传输线(24)组成。

图4是基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统的窄脉冲调制电路电路图。

图5是基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统的信号放大电路电路示意图。

图6是基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统的探测时间窗口示意图。

(五)具体实施方式

图1给出了基于可编程光纤延迟的探测时间窗口可调检测系统的实施例。其特征是：光纤延迟可调的可编程门控检测系统是由脉冲激光器(1)、可编程光纤延迟(2)、光纤探头(3)、窄脉冲调制电路(4)、信号放大电路(5)、准直镜(6)、光栅(7)、聚焦镜(8)、单光子雪崩光电二极管(阵列(9)、时间数字转换器阵列(10)、现场可编程逻辑门阵列(11)组成。所述系统中：脉冲激光器(1)输出的脉冲激光传输至可编程延时光纤(2)的输入端进行激光信号的延时处理，同时脉冲激光器产生的同步电信号连接至时间数字转换器(10)的开始端和窄脉冲调制电路(4)的输入端。可编程延时光纤(2)的输入端为1×2的可编程光开关(21)，可编程延时光纤末级为2×1的可编程光开关(21)，中间级为2×2可编程光开关。第1级的第一光纤臂(22)长度为L，所有的第二光纤臂(23)长度相同且为尽量短的长度，第2级的第一光纤臂长度为2L，所连结的光开关个数为N个，所以第N-1级可编程光开关的第一光纤臂长度为2