中智科儀自主研發的PicoSpec系列皮秒門控單光子光譜儀由影像校正光柵光譜儀和逐光2DSPC時間分辨單光子相機組成。影像校正光柵光譜儀具有高光譜分辨率，寬光譜測量范圍等特點;逐光2DSPC時間分辨單光子相機具有超窄光學門寬和高增益，可實現單光子探測靈敏度，皮秒級超短光學快門以及單光子計數采集等優勢;二者結合使得PicoSpec皮秒門控單光子光譜儀兼具高光譜分辨率和高靈敏光譜采集效率，可實現時間分辨光譜(固定延時采樣模式和可變延時采樣模式)，單光子計數，“零”噪聲連續采集，多通道光譜采集等多種光譜工作模式，非常適合光子稀少的應用場景，比如拉曼光譜(氣體拉曼，火焰拉曼，高壓拉曼，高溫拉曼以及遠程拉曼)，微流體，實時化學過程監測，實時醫療診斷等。

      PicoSpec皮秒門控單光子光譜儀，采用優化設計的超環面鏡，擁有良好的成像質量，配合多束高密度光纖，以很低的串擾可輕松實現多通道光譜同時采集，非常適合等離子體光譜研究。其堅固和緊湊的設計，同時具備科學研究需求的高性能和穩定性，使其成為工業或科研行業應用的理想工具。

1.1 產品優勢

200-920nm光譜范圍	4光柵塔輪，兼顧光譜分辨率和采譜寬度
0.004nm系統光譜分辨率	校準后的系統光譜分辨率優于0.004nm *取決于光譜儀分辨率
高波長準確度和重復性	高穩定性和可靠性，長時間工作波長準確度優于0.01nm，位移重復性優于0.015nm
200ps超短光學門寬	以皮秒時間精度捕捉瞬態現象，并大幅度降低光譜背景噪聲
單光子識別技術	基于相機的高增益和單光子智能識別算法，探測器的熱噪聲和讀出噪聲被濾除，實現“零噪聲”探測，適合微弱光譜信號采集和成像
成像質量好	光學像差校正功能，在整個焦面平面清晰準確成像， 實現高空間分辨率以及高密度低串擾多通道光譜采集
豐富的光譜儀附件	電動狹縫和濾光片輪、顯微鏡接口、機械快門、光纖輸入和透鏡耦合、光纖束、樣品室、校正光源、532nm，785nm以及其他波長激光器、拉曼組件等多種光譜儀附件可選
Windows及Linux SDK支持	成熟的跨平臺軟件開發套件，支持全功能二次開發

1.2 工作模式

1.2.1 固定延時采樣模式

      固定延時采樣模式是指在固定的時刻，以固定的門寬(曝光時間)對信號進行單次采集或多次采集疊加；適用于研究信號在某一時間段上的強度分布。

      例如，利用PicoSpec皮秒門控單光子光譜儀進行激光誘導等離子體擊穿光譜采集成像實驗中，單光子相機工作在內觸發模式，T0時刻為相機內置信號發生器產生的基準時刻;利用相機的同步輸出端口觸發激光器工作并作用于樣品表面，激光誘導等離子體擊穿光譜于T1時刻開始產生，并持續一段時間后于T2時刻消失；Gate Width為單光子相機設定的光學門寬，該光學門寬需略大于等離子體擊穿光譜信號持續的時長；t1為單光子相機快門打開時間相對于基準時刻的延遲，通過調整和優化t1，可以在單光子相機快門打開時，完整的采集到激光誘導產生的整個等離子體擊穿光譜。

 

固定延時采樣模式示意圖

 

 

激光誘導擊穿等離子體光譜（LIBS）

1.2.2 可變延時采樣模式

      可變延時采樣模式是指在信號采集過程中，按照設定好的規律依次改變延時參數，從而實現對不同時刻的信號進行采集；利用可變延時采樣模式可以一次性獲得信號在不同時刻的分布信息，適用于研究信號隨時間變化的趨勢。與固定延時采樣模式不同的是，可變延時采樣模式下，單光子相機快門打開時間相對于基準時刻之間的延時是遞增變化的，可變延時采樣模式就是通過對不同時刻的信號進行采樣，達到研究信號變化過程的目的。

      例如：利用PicoSpec皮秒門控單光子光譜儀進行材料熒光壽命測試實驗中，單光子相機工作在內觸發模式，T0時刻為相機內置信號發生器產生的基準時刻;利用相機的同步輸出端口觸發激光器工作并作用于羅丹明乙醇溶液激發出熒光光譜，熒光光譜于T1時刻開始產生，并持續一段時間后于T2時刻消失；Gate Width為單光子相機設定的光學門寬，該光學門寬遠小于熒光光譜信號持續的總時長；t1為單光子相機快門打開時間相對于基準時刻的延遲，t0為相鄰兩次采集過程中單光子相機快門打開時間相對于基準時刻的延遲的增量。通過調整和優化延時增量t0以及總的采集次數，可以采集到激光作用于羅丹明乙醇溶液后產生的完整的熒光光譜。

 

可變延時采樣模式示意圖

 

羅丹明的熒光衰減曲線

1.2.3 單光子計數模式

      單光子計數模式是單光子相機的一種特殊工作模式，啟動單光子計數模式后，相機會自動運行一個實時光子識別算法，該算法可以將每一幀圖像中單光子信號經過像增強器放大后的光子放大信號和相機本身的噪聲信號進行識別和區分，并將電子學帶來的讀出噪聲及暗噪聲完全去除；每一幀圖像中檢測到單光子信號的像素點在寄存器記為1，其他像素記為0，通過積分時間的設定進行多幀累加，最終獲得高信噪比光子空間分布信息的二維圖像，通過縱向累加或ROI，即可得到真正“零”噪聲光譜。該工作模式適用于單光子級較弱信號的收集。

 

 

      例如：利用PicoSpec皮秒門控單光子光譜儀進行二氧化鈦粉末的拉曼光譜測試實驗中，由于拉曼光譜信號強度較弱，因此在采集過程中使用單光子計數模式，并進行1000幀強度累加，得益于單光子相機的窄光學門寬，采集過程中激發光和熒光背景得到有效抑制，可以獲得信噪比高且特征峰清晰可辨的拉曼光譜。

 

二氧化鈦粉末拉曼光譜圖像（SPC）

二氧化鈦粉末拉曼光譜（10階三點均值濾波）

1.2.4 多通道光譜采集模式

      多通道光譜采集模式是指利用多束合一的高密度光纖，實現多個通道光譜同時采集。PicoSpec皮秒門控單光子光譜儀近乎完美的成像質量，可以保證各個光譜之間無串擾。多通道光譜采集模式適用于一套實驗系統中有多路光譜信號需要采集并在同一光譜儀成像，例如多通道等離子光譜和工業過程監測。

采用MS7504i光譜儀獲得的光譜圖像（*光柵1800l/mm，光源-汞氦燈）

1.3 技術參數

型號	PicoSpec-CT200	PicoSpec-CT350	PicoSpec-CT520	PicoSpec-CT750
高分辨率光譜儀
焦距	200mm	350mm	520mm	750mm
光通量	F/3.6	F/3.8	F/5.4	F/8.9
光譜分辨率*1	優于0.3nm	優于0.2nm	優于0.1nm	優于0.06nm
波長精度	±0.07nm	±0.06nm	±0.04nm	±0.04nm
重復精度	±0.04nm	±0.03nm	±0.007nm	±0.0074nm
光柵尺寸	40*40mm	70*70mm	80*70mm	80*70mm
光柵個數	4	4	4	4
雜散光抑制比*2	3X10-5	1X10-5	1X10-6	5.5X10-7
入口	單	單	單	單
出口	雙	雙	雙	雙

 

單光子相機
波段范圍*3					200nm-920nm
成像分辨率					1600*1088,9um像素
有效探測面積					14.4mm*9.79mm
采集速率					>98fps@1600*1088，>200fps@1600*500
工作模式			門控模式				光子累計成像模式
總暗計數			10-4-10-2count/s，@1KHz，10ns gate				200-20,000 count/s
暗計數			10-10-10-8count/s pixel，@1KHz，10ns gate				0.00012-0.012count/s/pixel
光陰極	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
等效背景噪聲	<0.25 μlx	<0.05 μlx		<0.05 μlx		<0.05 μlx		<0.05 μlx	<0.05μlx
波段范圍	400nm-920nm	200nm-900nm		185-700nm		185nm-730nm		200nm-325nm	320nm-700nm
有效尺寸					?18mm
光錐耦合比例					1:1
熒光屏					P43
最短光學快門					U：500ps；F：3ns
最大快門重復頻率					連續-10KHz（500ps）；連續-300KHz，5MHz@Burst（3ns）
工作模式					內觸發；外觸發；隨機觸發；連續
同步接口					外觸發輸入*1，同步觸發輸出*3，快速觸發*1，曝光信號輸出*1
外觸發輸入					最大觸發頻率125MHz，支持任意分頻；觸發閾值0.3V-3.3V可設置； 輸入阻抗50Ω/10Ω可設置；最小觸發寬度2ns；觸發抖動<35ps
外觸發輸入延遲					<35ns（外觸發輸入端口），<15ns（快速觸發端口）@500ps模塊； <90ns（外觸發輸入端口），<70ns（快速觸發端口）@3ns模塊
同步觸發輸出					A、B、C三通道輸出；輸出幅值5V，內阻50歐；輸出脈沖寬度2ns-10ns，最小調整步距10ps
觸發輸出延遲					延遲范圍0-10s，步進10ps，抖動<35ps
通訊接口					USB3.0

*1 1200g/mm光柵，10um狹縫，546nm中心波長

*2 20nm from laser line 632.8nm

*3 取決于光陰極類型 

單光子相機光陰極量子效率曲線

PicoSpec門控單光子光譜儀測試汞燈拼接光譜

 

1.4 應用

1.單分子熒光光譜	2.熒光壽命
3.激光誘導擊穿光譜（LIBS）	4.等離子體光譜診斷
5.泵浦探測光譜	6.相干反斯托克斯
7.拉曼光譜（CARS）	8.時間門控拉曼光譜
9.遠程拉曼	10.高溫高壓拉曼
11.火焰自發拉曼	12.催化在線原位拉曼

 

液化丁烷氣燃燒拉曼光譜

 日光下礦石拉曼探測（距離2米）