应用分享-2DSPC单光子计数相机用于日光下矿石远程脉冲拉曼测量

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    传统拉曼光谱仪以连续激光为激发源、选用曝光时间在ms量级（甚至更长）等探测器采集信号，导致荧光干扰强、背景噪声大等问题，通常在近距离或者显微系统下测试，限制了拉曼技术在安检、户外作业、生产线等场景应用。    单光子门控远程拉曼光谱技术是在基于中智科仪（北京）科技有限公司自主研发的 2DSPC 门控单光子计数相机的基础上开发的拉曼光谱探测技术，其核心是利用高重频短脉冲激光激发样品，采用门控选通的方式实现信号探测的同时在时间尺度上屏蔽掉荧光，环境光等干扰因素，同时利用单光子探测技术一方面提高弱信号探测能力另一方面消除探测器和电路系统自身的噪声。    该技术可以实现在强光，高温，远距离等条件下的拉曼光谱测试，从而拓宽了拉曼光谱的应用场景和可探测的样品类型。门控技术是在时间尺度上实现的一种选通探测技术，通过与激光器在时间上的匹配同步，可以实现对有效拉曼信号的探测，压缩背景噪声信号。图1所示，拉曼系统中存在的几种信号，根据信号的时间特性，采用图2所示的时序，在每次拉曼信号出现的时候打开相机快门，并且设置快门宽度只让拉曼信号进入探测器，通过门控选通的方式来抑制强背景信号，提高拉曼信号信噪比，从而实现在强背景下的拉曼测试。图1图2门控单光子计数相机内置的增强模块可以实现对光信号的放大，从而实现对单个光子信号的探测。拉曼信号是一种微弱的散射信号，通过对弱信号增强后可以提高系统的探测灵敏度。单光子计数技术是利用单光子信号的特征，将相机本身的噪声和直流背景造成的干扰信号因其不具有单光子特征被完全过滤掉。通过单光子识别和多帧累加方法可以实现对微弱信号长时间积分而无需担心噪声和饱和的困扰，从而实现对微弱的拉曼信号的探测。以下为2米远处矿石的紫外拉曼光谱探测，该拉曼光谱探测需要解决两个问题：1、测试在太阳光环境下，需要去除太阳光。2、镜头收集到的2米远处紫外拉曼信号光非常微弱，需要探测器在紫外波段具有单光子探测灵敏度。单光子门控远程拉曼测试系统通过追踪266nm高重频紫外脉冲激光与样品相互作用的时间，配合单光子计数相机只提取该时间段内拉曼散射光子，规避背景光的干扰，实现强背景下提取拉曼信号。单光子门控远程拉曼测试系统以中智科仪的门控相机和单光子计数技术为核心，完全去除探测器噪声，让个位数的光子信号也能明显的出现在拉曼谱线上，同时拉曼谱线强度是光子数量，直观了表达了信号的强度。原理示意图1：激发光波长266nm，重頻1KHz，单脉冲能量1uJ，脉冲宽度5ns ；2：2DSPC单光子计数相机；3：采集时间：10s，光学门宽 5ns ；4：测试环境：晴天室内明亮环境 中智科仪自主研发的 2DSPC（2D Single Photon Counting Camera）单光子计数相机是一种能够准确识别单个光子的二维成像探测器。170 万像素的二维阵列同时探测并记录到达探测单元内的所有单光子事件，借助实时光子识别算法，将电子学带来的读出噪声及暗噪声完全去除，获得高信噪比光子空间分布信息。1.单光子探测灵敏度以单光子探测灵敏度捕获微弱拉曼信号。2.500ps光学快门配合高重频脉冲激光器在时间上的匹配同步，实现对远程拉曼信号的探测，去除背景噪声。3.精准的时序控制逐光2DSPC单光子计数相机具有三路独立输入输出的时序同步控制器，最短延迟时间为10ps，内外触发设置可实现与激光器以及其他装置精准同步。4. 创新“零噪声”技术得益于单光子信号的准确识别，相机的暗噪声及读出噪声被完全去除。中智科仪（北京）科技有限公司成立于2016年， 是一家专注新型光电探测技术的创新型科技公司。公司在西安和昆山设有两个研发中心，其骨干技术团队具备十余年先进科学成像开发及应用经验。中智科仪始终秉承国产自研、锐意进取的精神，以科研需求为核心，依托精准的探测技术、在产品研发上追求两个物理极限：1. 超快成像：皮秒时间分辨探测技术；2. 极限探测灵敏度：单光子成像技术。经年沉淀，公司匠心打磨纳秒/皮秒时间分辨相机以及皮秒时间分辨单光子相机等产品，不仅打破国外技术垄断，更是以超越国际标准为目标填补我国在超快及时间分辨领域的空白。目前，中智科仪逐光系列产品已经获得相关专利十余项，在超过百余家高校及研究院所成功交付，以成熟稳定的性能支持数十个国家重点项目的具体实施。实践出真知，正是来自科学家真实的认可与支持坚定了中智科仪的信心及决心。中智科仪（北京）科技有限公司本着创新和严谨的精神，以研发、市场、销售、客户服务四位一体的高标准体系，努力保持领先优势，矢志成为全球卓越的光电科技公司，致力推动科技成果的应用转化，在“科技兴国”的道路上为中国科研贡献力量。不喜欢不看的原因确定内容质量低不看此公众号MEASURE THE WORLDWITH LIGHT 中智科仪Intelligent Scientific System 逐光2DSPC单光子计 数相 机 百万像素 实时单光子探测 日 5加 2加加加 加加 加 加加小 E 中智料 传 EA RR E T E MOE LD MIHUOT ● 帧频98FPS 光子是光的微小能量组成 单 位 ，因 此 单 光子探测被视为光 学 探测灵敏度的物理极限。中 智科仪自主研 发 的2D SPC (2D S i n g l e Ph oto n C ou n t i ng C am e r a) 单光子 计 数相机是一种能够 识别 单 个 光子的二维成像探测器。170万 像素的二维阵列同时 探测并记录到 达 探测单元内的单光子事 件 ，借助实时光子识别 算法 ，将电子学带来的读出噪声 及 暗噪声完全去除，获得高信 噪比光子空间分布信息。与 已 经广泛应用 的 PMT及 A P D单 光子 探测器相比 ，2DSP C相 机 就相当于 一 个由 上 百 万个单元组成的 二维阵列，在光子 计 数光谱或成像时采 集 速度 大 幅提升 。得 益 于纳秒级高速电子快门及皮秒级高精度时序控制，2D SP C 相 机 可以通过同 步 触 发 捕获精准时刻的光子信号。 1.信号 光 子 4.CM O S 采集 2.高增益增强器 3.倍增光 子 5.单光子解析 6.单光子计数成像 光子信号 电 子学噪声 “零噪声”技 术 得益于单光子信号的准确识别，sCMOS相机的暗噪声及读出噪声 被完全去除 阵列单光子计 数 170万像素同步单光子采集，无论成 像或是光谱，采集速度大幅提升 Hi-QE及GaAs高量子 光阴极技术 特征及优 势 从紫外至近红外均可选择高量子效 率阴极，大幅度提升信噪比 Windows及 Linux SDK支持 成熟的跨平台软件开发套件，支持 全功能二次开发 S l o w Gating 高量子效率光阴 极 光阴极量子效率相比3ns/500ps 版本提升20% 技术参 数 波段范围 200n m -920n m *取决 于 光阴极类型 成像分辨率 1600*1088，9um像素 有效探测面积 14.4mm*9.79mm 采集速率 >98fps@1600*1088，>200fps@1600*500 Gate模式 光子累计成像 总暗计数 10-10"count/s，1KHz，10ns gate 200-20，000 count/s 暗计数 100-10count/s/pixel 1KHz，10ns gate 0.00012-0.012count/s/pixel 最短曝光时间 500ps或3ns 电子快门重复频率 连续-300KHz，5MHz (Burst) 时序控制 同步控制通道 通讯接口 镜头接口 200 300 400 500 600 700 800 900 Wavele n g t h[nm ] ·光阴极量子效率曲线· ·操作界面· )应用 安装尺寸 ·100MB剩余硬盘空间以安装软件 ·Windows (7，8，8.1，10) MEASURE THE WORLD WITH LIGHT 中智科仪(北京)科技有限公司 地址：北京市昌平区龙域中心A座710室 中智科仪(西安)研发中心 地址：陕西省西安市高新区锦业路69号创 业 开发园A区17号楼三楼