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PicoSpec 皮秒门控单光子光谱仪

●  200ps超短光学门宽
●  200-920nm宽光谱范围
●  4光栅塔轮结构
●  极限光谱分辨率可达8.5pm
●  单光子探测灵敏度
●  独特的“零噪声”探测技术
●  功能强大且易用的采集软件

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产品介绍 Product introduction

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皮秒时间分辨单光子相机组成。影像校正光栅光谱仪具有皮米级光谱分辨率和宽光谱测量范围等特点,而皮秒时间分辨单光子相机则具备皮秒级超窄光学门宽和超高光学增益,能够实现单光子探测灵敏度。这两者的完美结合,使得picospec皮秒门控单光子光谱仪兼具超高光谱分辨率和极高灵敏度的光谱采集能力。

picospec系列皮秒门控单光子光谱仪，支持时间分辨光谱(包括固定延时采样模式和可变延时采样模式)、单光子计数、“零”噪声连续采集以及多通道光谱采集等多种工作模式；特别适合在气体拉曼、火焰拉曼、高压拉曼、高温拉曼、远程拉曼、微流体实时化学过程检测及实时医疗诊断等强北京辐射干扰或光谱信号较弱的应用场景中使用。

特征及优势 Features and advantages

超精密设计，优良的光学性能：

picospec皮秒门控单光子光谱仪基于成熟的cherny-Turner结构,采用对称光路设计和优化布局,通过光学像差校正,实现了在整个焦面平面上的近乎完美的成像质量,切实提供了卓越的光谱成像功能。其精妙的光机设计与—体化成型外壳结合,确保了杂散光抑制比达到10-5 以下,极大地提高了测量的准确性和可靠性。此外,picospec内部还采用了超环面反射镜,进—步降低了像差,确保在较大的焦平面内通过聚焦镜的精准定位和精确曲率半径,形成大尺寸平坦的焦平面。这种设计在多通道光谱采集应用中表现尤为出色,能够轻松实现高空间分辨率和高密度低串扰的多通道光谱采集。

picospec皮秒门控单光子光谱仪的成像表现

高精度、高重复性电动调节机构：

picospec皮秒门控单光子光谱仪内部集成了高精度的蜗轮蜗杆调整机构,这种结构不仅构造简单,而且具备卓越的重复性、稳定性和可靠性。在光栅切换和波长切换过程中,该机构能够确保良好的重复定位精度。通过补偿技术消除传统蜗轮蜗杆传动背隙,可以进—步提升转塔结构的精度,保证picospec能够实现最佳的波长精度和波长重复性。在长时间工作中, 其位移重复性和波长准确度均保持在高水平, 这在宽光谱范围采集场景下,特别是在光谱拼接过程中,能够有效保证光谱数据的精度和—致性。

picospec皮秒门控单光子光谱仪卓越的波长准确度表现

四光栅塔轮，可集成四块超大面积光栅：

picospec皮秒门控单光子光谱仪内部集成四块超大面积光栅(单光栅有效面积可达80x70mm,较常规产品提升50%),安装在—个高刚性旋转塔轮上, 利用步进电机实现高精度的切换。这种设计不仅支持更大的光通量,还能够提供更大的接收面积,从而有效适配宽光束,减小边缘像差,确保光谱测量的准确性。四块不同参数配置的光栅,使得 picospec能够灵活应对多种应用需求,兼顾光谱仪的摄谱范围和光谱分辨率。

picospec皮秒门控单光子光谱仪内部集成的四光栅塔轮

极限光谱分辨率可达8.5pm：

picospec皮秒门控单光子光谱仪可配置最高3600I/mm的高刻线密度光栅, 结合逐光系列ISCMOs像增强相机的卓越分辨率表现, 极限分辨率可达到8.5pm。这—高分辨率配置使得picospec特别适用于原子光谱等对光谱分辨率要求极高的测量应用场景。

picospec皮秒门控单光子光谱仪极限分辨率

探测器最短光学门宽窄至200ps：

picospec皮秒门控单光子光谱仪集成的逐光 ® 系列 ISCMOs像增强相机最短光学门宽可达200pS以下,具备更高的时间分辨能力,在强背景干扰下提取弱信号能力也进—步提升,可以以皮秒时间精度捕捉瞬态现象,并大幅降低背景噪声。具备更高的时间分辨率;在时间分辨荧光光谱应用场景,可以提升光谱时间分辨率;在门控拉曼光谱采集应用场景,抑制荧光和背景光能力更加卓越,信噪比更高。

探测器不同光学门宽下信号信噪比对比

自主研发的多通道同步时序控制器：

picospec皮秒门控单光子光谱仪集成的逐光系列ISCMOs像增强相机支持多达3个外触发同步输出通道,延迟分辨率高达10皮秒;通道间抖动小于35pS(RMs),无需额外的同步触发设备即可轻松实现门控光谱仪与信号激发源之间的精准同步控制;精确实现探测器曝光与瞬态信号的时间同步,保证“不错过—点细节”。借助同步时序控制器自动变延迟推扫功能,picospec皮秒门控单光子光谱仪可以按照最短10pS的步进自动进行变延迟采集,这在时间分辨荧光光谱、荧光寿命等应用场景可以大幅提高测试效率。

支持单光子计数采集：

picoSpec皮秒门控单光子光谱仪集成的逐光系列ISCMOS相机支持单光子计数采集模式, 它是—种特殊的工作模式, 适用于单光子级弱信号的收集。当启动单光子计数模式后,相机会自动运行—个实时光子识别算法,该算法可以将每—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—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。

单光子技术采集模式原理

1.信号光子 2.高增益增强器 3.倍增光子 4.SCMOS采集 5.单光子识别 6.多帧累加计数成像

光子放大信号（绿色圆点）

电子学噪声（红色放宽）

“零噪声”探测技术：

在微弱光谱信号采集过程中,探测器本身的噪声将会对信号的信噪比产生显著影响。零噪声探测技术,充分利用了荧光屏发光的物理特性,通过区分图像中计数的来源(是来自荧光屏还是SCMOS本身),从而仅保留来自荧光屏的计数。通过这种方式,SCMOS本身的噪声可以被完全消除,从而进—步提高了信噪比。“零噪声”探测技术可以真正意义上完全消除SCMOS本身的噪声,让图像背景更干净, 信噪比更高,在弱信号采集场景下表现更出色;在光谱采集过程中,光谱基线几乎为0。

(左)未开启 “零噪声探测”和(右)开启“零噪声探测”LIBS光谱对比

强大易用的光谱采集软件：

smartcapture2.0软件是—款集设备控制、数据采集、可视化、测量、编辑、分析和存储于—体的平台,全面支持全系列产品。它引入了多种视图与编辑功能,简易精准的可视化时序控制调节,以及光学脉宽和分幅自动校准功能。同时,软件保留了多种采集模式、丰富的数据导入导出、多元化数据处理、背景扣除、自动保存、序列播放控制、零噪声和便捷ROI等功能。smartcapture 2.0软件支持在图像和光谱采集模式间灵活切换,提供可视化触发时序设置和自动变延迟序列采集功能,适用于时间分辨成像及光谱采集中的精准延时设置,支持在线分析和测量。

picospec皮秒门控单光子光谱仪软件界面

产品参数 Product parameter

型号	PicoSpec-CT200	PicoSpec-CT350	PicoSpec-CT520	PicoSpec-CT750	picospec-CT1000
高分辨率光谱仪
焦距	200mm	350mm	520mm	750mm	1000mm
光通量	F/3.6	F/3.8	F/5.4	F/8.9	F/5.8
光谱分辨率^*1	优于0.2nm	优于0.1nm	优于0.05nm	优于0.035nm	优于0.03nm
波长精度	±0.1nm	±0.1nm	±0.05nm	±0.05nm	±0.04nm
重复精度	±0.05nm	±0.05nm	±0.01nm	±0.008nm	±0.007nm
光栅尺寸	40*40mm	70*70mm	80*70mm	80*70mm	80*70mm
光栅个数	4	4	4	4	4
杂散光抑制比^*2	3X10^-5	1X10^-5	1X10^-6	5.5X10^-7	5.5X10^-7
入口	单	单	单	单	单
出口	双	双	双	双	双

单光子相机
分辨率	1600*1088,9um像素
有效探测面积	14.4mm*9.79mm
采集速率	>98fps@16001088，>200fps@1600500
光阴极	GaAs	HotS20	Hi-QE Blue	Hi-QE UV
量子效率	>33%@600-850nm	>16%@510nm	>30%@250-400nm	>27%@200-400nm
等效背景噪声	<0.25 μlx	<0.05 μlx	<0.05 μlx	<0.05 μlx
波段范围	400nm-920nm	200nm-900nm	185-700nm	185nm-730nm
最短光学快门	U：500ps；F：3ns；200ps（可选）
最大快门重复频率	连续-20KHz(皮秒快门); 连续-500KHz(纳秒快门)
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	<75ns(外触发输入端口),<15ns(快速触发端口)@500ps模块; <110ns(外触发输入端口),<50ns(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3ns-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 Iaser Iine 632.8nm

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

应用 Application

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

拉曼光谱(CARS) 7.时间门控拉曼光谱 8.远程拉曼 9.高温高压拉曼 10.火焰自发拉曼 11.催化在线原位拉曼。

激光诱导击穿等离子体光谱（LIBS）

罗丹明的荧光衰减曲线

二氧化钛粉末拉曼光谱（10阶三点均值滤波）

液化丁烷气燃烧拉曼光谱

日光下矿石拉曼探测（距离2米）

工作模式

　　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光谱（LIBS）

　　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

　　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。