PicoSpec 皮秒门控单光子光谱仪

      中智科仪自主研发的PicoSpec系列皮秒门控单光子光谱仪由影像校正光栅光谱仪和逐光2DSPC时间分辨单光子相机组成。影像校正光栅光谱仪具有高光谱分辨率，宽光谱测量范围等特点;逐光2DSPC时间分辨单光子相机具有超窄光学门宽和高增益，可实现单光子探测灵敏度，皮秒级超短光学快门以及单光子计数采集等优势;二者结合使得PicoSpec皮秒门控单光子光谱仪兼具高光谱分辨率和高灵敏光谱采集效率，可实现时间分辨光谱(固定延时采样模式和可变延时采样模式)，单光子计数，“零”噪声连续采集，多通道光谱采集等多种光谱工作模式，非常适合光子稀少的应用场景，比如拉曼光谱(气体拉曼，火焰拉曼，高压拉曼，高温拉曼以及远程拉曼)，微流体，实时化学过程监测，实时医疗诊断等。

      PicoSpec皮秒门控单光子光谱仪，采用优化设计的超环面镜，拥有良好的成像质量，配合多束高密度光纤，以很低的串扰可轻松实现多通道光谱同时采集，非常适合等离子体光谱研究。其坚固和紧凑的设计，同时具备科学研究需求的高性能和稳定性，使其成为工业或科研行业应用的理想工具。

1.1 产品优势

200-920nm光谱范围	4光栅塔轮，兼顾光谱分辨率和采谱宽度
0.004nm系统光谱分辨率	校准后的系统光谱分辨率优于0.004nm *取决于光谱仪分辨率
高波长准确度和重复性	高稳定性和可靠性，长时间工作波长准确度优于0.01nm，位移重复性优于0.015nm
200ps超短光学门宽	以皮秒时间精度捕捉瞬态现象，并大幅度降低光谱背景噪声
单光子识别技术	基于相机的高增益和单光子智能识别算法，探测器的热噪声和读出噪声被滤除，实现“零噪声”探测，适合微弱光谱信号采集和成像
成像质量好	光学像差校正功能，在整个焦面平面清晰准确成像， 实现高空间分辨率以及高密度低串扰多通道光谱采集
丰富的光谱仪附件	电动狭缝和滤光片轮、显微镜接口、机械快门、光纤输入和透镜耦合、光纤束、样品室、校正光源、532nm，785nm以及其他波长激光器、拉曼组件等多种光谱仪附件可选
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

1.2 工作模式

1.2.1 固定延时采样模式

      固定延时采样模式是指在固定的时刻，以固定的门宽(曝光时间)对信号进行单次采集或多次采集叠加；适用于研究信号在某一时间段上的强度分布。

      例如，利用PicoSpec皮秒门控单光子光谱仪进行激光诱导等离子体击穿光谱采集成像实验中，单光子相机工作在内触发模式，T0时刻为相机内置信号发生器产生的基准时刻;利用相机的同步输出端口触发激光器工作并作用于样品表面，激光诱导等离子体击穿光谱于T1时刻开始产生，并持续一段时间后于T2时刻消失；Gate Width为单光子相机设定的光学门宽，该光学门宽需略大于等离子体击穿光谱信号持续的时长；t1为单光子相机快门打开时间相对于基准时刻的延迟，通过调整和优化t1，可以在单光子相机快门打开时，完整的采集到激光诱导产生的整个等离子体击穿光谱。

 

固定延时采样模式示意图

 

 

激光诱导击穿等离子体光谱（LIBS）

1.2.2 可变延时采样模式

      可变延时采样模式是指在信号采集过程中，按照设定好的规律依次改变延时参数，从而实现对不同时刻的信号进行采集；利用可变延时采样模式可以一次性获得信号在不同时刻的分布信息，适用于研究信号随时间变化的趋势。与固定延时采样模式不同的是，可变延时采样模式下，单光子相机快门打开时间相对于基准时刻之间的延时是递增变化的，可变延时采样模式就是通过对不同时刻的信号进行采样，达到研究信号变化过程的目的。

      例如：利用PicoSpec皮秒门控单光子光谱仪进行材料荧光寿命测试实验中，单光子相机工作在内触发模式，T0时刻为相机内置信号发生器产生的基准时刻;利用相机的同步输出端口触发激光器工作并作用于罗丹明乙醇溶液激发出荧光光谱，荧光光谱于T1时刻开始产生，并持续一段时间后于T2时刻消失；Gate Width为单光子相机设定的光学门宽，该光学门宽远小于荧光光谱信号持续的总时长；t1为单光子相机快门打开时间相对于基准时刻的延迟，t0为相邻两次采集过程中单光子相机快门打开时间相对于基准时刻的延迟的增量。通过调整和优化延时增量t0以及总的采集次数，可以采集到激光作用于罗丹明乙醇溶液后产生的完整的荧光光谱。

 

可变延时采样模式示意图

 

罗丹明的荧光衰减曲线

1.2.3 单光子计数模式

      单光子计数模式是单光子相机的一种特殊工作模式，启动单光子计数模式后，相机会自动运行一个实时光子识别算法，该算法可以将每一帧图像中单光子信号经过像增强器放大后的光子放大信号和相机本身的噪声信号进行识别和区分，并将电子学带来的读出噪声及暗噪声完全去除；每一帧图像中检测到单光子信号的像素点在寄存器记为1，其他像素记为0，通过积分时间的设定进行多帧累加，最终获得高信噪比光子空间分布信息的二维图像，通过纵向累加或ROI，即可得到真正“零”噪声光谱。该工作模式适用于单光子级较弱信号的收集。

 

 

      例如：利用PicoSpec皮秒门控单光子光谱仪进行二氧化钛粉末的拉曼光谱测试实验中，由于拉曼光谱信号强度较弱，因此在采集过程中使用单光子计数模式，并进行1000帧强度累加，得益于单光子相机的窄光学门宽，采集过程中激发光和荧光背景得到有效抑制，可以获得信噪比高且特征峰清晰可辨的拉曼光谱。

 

二氧化钛粉末拉曼光谱图像（SPC）

二氧化钛粉末拉曼光谱（10阶三点均值滤波）

1.2.4 多通道光谱采集模式

      多通道光谱采集模式是指利用多束合一的高密度光纤，实现多个通道光谱同时采集。PicoSpec皮秒门控单光子光谱仪近乎完美的成像质量，可以保证各个光谱之间无串扰。多通道光谱采集模式适用于一套实验系统中有多路光谱信号需要采集并在同一光谱仪成像，例如多通道等离子光谱和工业过程监测。

采用MS7504i光谱仪获得的光谱图像（*光栅1800l/mm，光源-汞氦灯）

1.3 技术参数

型号	PicoSpec-CT200	PicoSpec-CT350	PicoSpec-CT520	PicoSpec-CT750
高分辨率光谱仪
焦距	200mm	350mm	520mm	750mm
光通量	F/3.6	F/3.8	F/5.4	F/8.9
光谱分辨率*1	优于0.3nm	优于0.2nm	优于0.1nm	优于0.06nm
波长精度	±0.07nm	±0.06nm	±0.04nm	±0.04nm
重复精度	±0.04nm	±0.03nm	±0.007nm	±0.0074nm
光栅尺寸	40*40mm	70*70mm	80*70mm	80*70mm
光栅个数	4	4	4	4
杂散光抑制比*2	3X10-5	1X10-5	1X10-6	5.5X10-7
入口	单	单	单	单
出口	双	双	双	双

 

单光子相机
波段范围*3					200nm-920nm
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
工作模式			门控模式				光子累计成像模式
总暗计数			10-4-10-2count/s，@1KHz，10ns gate				200-20,000 count/s
暗计数			10-10-10-8count/s pixel，@1KHz，10ns gate				0.00012-0.012count/s/pixel
光阴极	GaAs	HotS20		Hi-QE Blue		Hi-QE UV		Solar Blind	Hi-QE Green
量子效率	>33%@600-850nm	>16%@510nm		>30%@250-400nm		>27%@200-400nm		>21%@260nm	>30%@400-480nm
等效背景噪声	<0.25 μlx	<0.05 μlx		<0.05 μlx		<0.05 μlx		<0.05 μlx	<0.05μlx
波段范围	400nm-920nm	200nm-900nm		185-700nm		185nm-730nm		200nm-325nm	320nm-700nm
有效尺寸					⌀18mm
光锥耦合比例					1:1
荧光屏					P43
最短光学快门					U：500ps；F：3ns
最大快门重复频率					连续-10KHz（500ps）；连续-300KHz，5MHz@Burst（3ns）
工作模式					内触发；外触发；随机触发；连续
同步接口					外触发输入*1，同步触发输出*3，快速触发*1，曝光信号输出*1
外触发输入					最大触发频率125MHz，支持任意分频；触发阈值0.3V-3.3V可设置； 输入阻抗50Ω/10Ω可设置；最小触发宽度2ns；触发抖动<35ps
外触发输入延迟					<35ns（外触发输入端口），<15ns（快速触发端口）@500ps模块； <90ns（外触发输入端口），<70ns（快速触发端口）@3ns模块
同步触发输出					A、B、C三通道输出；输出幅值5V，内阻50欧；输出脉冲宽度2ns-10ns，最小调整步距10ps
触发输出延迟					延迟范围0-10s，步进10ps，抖动<35ps
通讯接口					USB3.0

*1 1200g/mm光栅，10um狭缝，546nm中心波长

*2 20nm from laser line 632.8nm

*3 取决于光阴极类型 

单光子相机光阴极量子效率曲线

PicoSpec门控单光子光谱仪测试汞灯拼接光谱

 

1.4 应用

1.单分子荧光光谱	2.荧光寿命
3.激光诱导击穿光谱（LIBS）	4.等离子体光谱诊断
5.泵浦探测光谱	6.相干反斯托克斯
7.拉曼光谱（CARS）	8.时间门控拉曼光谱
9.远程拉曼	10.高温高压拉曼
11.火焰自发拉曼	12.催化在线原位拉曼

 

液化丁烷气燃烧拉曼光谱

 日光下矿石拉曼探测（距离2米）