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基于时间相关CMOS单光子雪崩二极管线阵传感器的距离分辨拉曼雷达

DOI:10.3390/s18103200 期刊:Sensors 出版年份:2018 更新时间:2025-09-23 15:21:21
摘要: 远程拉曼光谱技术广泛应用于矿物、爆炸物及空气污染检测等领域。但其主要问题在于环境光和样品荧光产生的背景辐射。据我们所知,本研究首次提出一种基于可调谐时间相关互补金属氧化物半导体(CMOS)单光子雪崩二极管线阵列传感器的距离分辨拉曼雷达装置。该装置能在常规远距光谱仪工作的同时测量目标样品位置,并通过亚纳秒级时间门控技术显著抑制背景辐射。在常规光谱仪工作状态下,我们验证了其3.75厘米的距离分辨率——该系统分别在250厘米(250勒克斯背景照度)和100厘米(7600勒克斯背景照度)距离处成功识别了二氧化钛的拉曼光谱。此外,在250勒克斯背景照度下,该系统还能在30厘米距离处识别出橄榄油的拉曼主峰(其荧光/拉曼信号比为33,荧光寿命为2.5纳秒)。我们认为这种时间相关CMOS单光子雪崩二极管传感器,将为需要同时获取数米范围内距离信息与拉曼光谱的新型紧凑型距离分辨拉曼雷达开辟道路。
作者: Jere Kekkonen,Jan Nissinen,Juha Kostamovaara,Ilkka Nissinen
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研究概述 实验方案 设备清单

提出一种基于时间相关CMOS单光子雪崩二极管线阵传感器的距离分辨拉曼雷达装置,该装置可在常规远距光谱仪工作的同时测量目标样品位置,并通过亚纳秒级时间门控技术显著抑制背景辐射。

该技术可实现3.75厘米分辨率的远距离扫描,从而在获取拉曼光谱的同时测定与拉曼样品的距离。CMOS技术能将光学探测器与其他所有电子元件集成于同一芯片,相比传统采用数纳秒门控时间的时序门控CCD或ICCD,更便捷地实现亚纳秒级门控。这使得我们能进一步降低具有纳秒级寿命的样品背景噪声和荧光干扰。我们认为,这项技术可为采矿和爆炸物检测领域研发新型距离分辨拉曼雷达设备铺平道路——这类应用需要能在数米范围内工作的紧凑型远距探测装置。

拉曼雷达的光学系统和SPAD传感器电路最初是为通过显微镜物镜进行同轴激发与收集的测量而优化的。实验中仅移除了显微镜物镜,在光学性能相对较差的条件下进行了测量。此外,此处需要外置延迟单元,因为先前设计的拉曼显微镜中并未涉及厘米级门控位置扫描的需求。

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