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

    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。