總述：

CEL-BRS是以高重頻脈沖激光器和2DSPC®門(mén)控單光子相機(jī)為核心，以納秒門(mén)控選通技術(shù)以及陣列探測(cè)器為基礎(chǔ)，精準(zhǔn)探測(cè)每個(gè)收集到的光子的檢測(cè)手段。在使用CEL-BRS時(shí)無(wú)需考慮傳統(tǒng)拉曼技術(shù)固有的各種制約因素，甚至在室外日光條件下可輕松獲得遠(yuǎn)距離物質(zhì)的拉曼信號(hào)，可以大幅抑制背景輻射、環(huán)境光等帶來(lái)的干擾。其應(yīng)用領(lǐng)域主要有高溫冶金拉曼檢測(cè)，光催化在線(xiàn)拉曼檢測(cè)，燃燒/等離子產(chǎn)物拉曼檢測(cè)。下面主要基于光催化在線(xiàn)拉曼檢測(cè)系統(tǒng)具體闡述 CEL-BRS的使用方法。

1.系統(tǒng)組成：

光催化在線(xiàn)拉曼檢測(cè)系統(tǒng)主要包括：微型光熱催化微反系統(tǒng)（適配高溫GPPCM，高溫高壓GPPCT），CEL-BRS檢測(cè)系統(tǒng)。如下圖1.1所示。

圖1.1 光催化在線(xiàn)拉曼檢測(cè)示意圖

1）微型光熱催化微反系統(tǒng)：

微型光熱催化微反系統(tǒng)適用于光熱協(xié)同催化、光催化劑的評(píng)價(jià)及篩選，以及光催化的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)歷程等的研究。例如：催化劑材料的制備、催化劑材料的活性評(píng)價(jià)、光解水制氫、二氧化碳還原等。主要包括熱反應(yīng)系統(tǒng)和光反應(yīng)系統(tǒng)。

熱反應(yīng)系統(tǒng)采用加熱爐給石英反應(yīng)器加熱，可滿(mǎn)足透光的要求，同時(shí)保證實(shí)驗(yàn)過(guò)程中穩(wěn)定的強(qiáng)高溫。

光反應(yīng)系統(tǒng)采用可模擬太陽(yáng)光光譜的高功率氙燈光源。光源覆蓋200-1100nm全光譜段，如下圖1.2所示，且光能量輸出集中。電源與燈箱分體設(shè)計(jì)，燈箱采用太陽(yáng)花風(fēng)冷散熱形式。光路結(jié)構(gòu)采用多次濾光結(jié)構(gòu)，可兼容不同濾光片，滿(mǎn)足不同需求，不同規(guī)格的應(yīng)用。

圖1.2 氙燈光譜圖

系統(tǒng)整體采用控制模塊加觸摸屏內(nèi)置組態(tài)軟件的控制方式，智能調(diào)節(jié)，算法等，同時(shí)配有：進(jìn)料穩(wěn)流系統(tǒng)、反應(yīng)恒溫系統(tǒng)，產(chǎn)物收集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等子系統(tǒng)。使得系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)壓力顯示精度：±0.01MPa；溫度顯示精度：±0.1℃；溫度控制精度：±1℃；流量控制精度：±1%F.S等高精度指標(biāo)。

2）CEL-BRS檢測(cè)

CEL-BRS由公司自主研發(fā)，以“納秒脈沖激光+2DSPC®納秒門(mén)控單光子相機(jī)為核心，基于時(shí)間選通的遠(yuǎn)程在線(xiàn)拉曼測(cè)試系統(tǒng)。主要包括激光激發(fā)和拉曼檢測(cè)兩部分。激光激發(fā)，本系統(tǒng)采用被動(dòng)調(diào)Q脈沖微片，波長(zhǎng)532nm，脈沖能量40uJ，重復(fù)頻率2.5KHz，脈沖寬度<1ns的激光器，通過(guò)光路整形，將激光耦合進(jìn)入光纖拉曼探頭，使光斑聚焦于檢測(cè)的樣品。探頭原理示意如圖1.3所示，激光光路示意圖如圖1.4所示。

拉曼檢測(cè)，激發(fā)樣品產(chǎn)生的拉曼信號(hào)通過(guò)探頭，探頭出射端連接光纖，光纖后端放置準(zhǔn)直器，以及柱透鏡對(duì)拉曼光斑整形。光路圖如下圖1.5所示。調(diào)節(jié)光斑使其聚焦到光譜儀狹縫。光譜儀采用全自動(dòng)光譜設(shè)備，內(nèi)部采用經(jīng)典的C-T不對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，且具有像差自動(dòng)校正功能。

拉曼信號(hào)通過(guò)光譜儀分光到達(dá)單光子相機(jī)。該系列單光子相機(jī)主要包括：3ns Gate單元，Delay Generator單元，Gain Control單元，其連接示意圖如下圖1.6所示。Delay Generator單元接受激光器外觸發(fā)，C端口接入單光子相機(jī)Sync端口，同時(shí)Gate端口接入3ns Gate單元的Trigger Input端口，由Gate Output端口輸出到單光子相機(jī)Gate端，且Gain Control 單元I/O端口接入單光子相機(jī)I/O端口。各單元模塊的作用是可精準(zhǔn)開(kāi)啟單光子相機(jī)內(nèi)部各個(gè)部件，達(dá)到時(shí)序同步一致。

圖1.6 單光子相機(jī)連接示意圖

該相機(jī)得益于納秒級(jí)高速電子快門(mén)及皮秒級(jí)高精度時(shí)序控制，可根據(jù)指令捕獲某個(gè)精準(zhǔn)時(shí)刻的光子信號(hào)，其技術(shù)參數(shù)如下表1所示。

• 表1：?jiǎn)喂庾酉鄼C(jī)技術(shù)參數(shù)

2.門(mén)控單光子拉曼工作原理

門(mén)控單光子拉曼技術(shù)，以納秒脈沖激光器為激發(fā)源，以門(mén)控型二維面陣單光子相機(jī)為探測(cè)器，基于距離選通原理實(shí)現(xiàn)探測(cè)目標(biāo)拉曼信號(hào)的時(shí)間/距離分辨的拉曼探測(cè)技術(shù)。

其結(jié)構(gòu)包括：門(mén)控型單光子相機(jī)集成MCP像增強(qiáng)器、高壓增益模塊、時(shí)序模塊、門(mén)控模塊等。具有高增益、短門(mén)寬、低噪聲特性；的單光子計(jì)數(shù)模式可實(shí)現(xiàn)對(duì)弱光拉曼信號(hào)的有效探測(cè)，高精準(zhǔn)時(shí)序選通技術(shù)對(duì)樣品拉曼信號(hào)切片式采集，實(shí)現(xiàn)抑制背向散射、熱輻射、環(huán)境光等噪聲的能力。

單光子計(jì)數(shù)原理，如下圖 2.1 所示，其大致原理如下：（a） 單幀原始數(shù)據(jù)的單光子信號(hào)甄別；（b）根據(jù)單光子識(shí)別構(gòu)成“0”和“1”的二維陣列，形成單幀單光子計(jì)數(shù)；（c）多幀單光子計(jì)數(shù)疊加；（d）單光子計(jì)數(shù)灰度值成像。

• 圖 2.1 單光子計(jì)數(shù)原理圖

（a）對(duì)每個(gè)像素元的單光子記錄進(jìn)行甄別,（b)每個(gè)像素單光子11進(jìn)行數(shù)字化，(c)多幀累加,（d)每個(gè)像素元單光子計(jì)數(shù)灰度圖。

高重頻脈沖激光器的拉曼光譜系統(tǒng)時(shí)序控制原理如下圖2.2。其中，Δt為觸發(fā)高重頻脈沖激光與拉曼信號(hào)的時(shí)間延遲，帶寬分別為ΔT1、ΔT2，其電子快門(mén)脈寬ΔT3>ΔT2，因單光子相機(jī)的幀頻低于脈沖激光器工作頻率，單光子相機(jī)對(duì)多脈沖信號(hào)的單光子計(jì)數(shù)進(jìn)行累加采集，則在單光子相機(jī)單幀曝光時(shí)間（ΔT4）內(nèi)累加多個(gè)脈沖信號(hào)。

圖2.2 門(mén)控單光子拉曼時(shí)序原理

門(mén)控單光子相機(jī)可實(shí)現(xiàn)單脈沖信號(hào)的高速響應(yīng)和采集，可大范圍抑制各種噪聲，門(mén)控選通技術(shù)對(duì)噪聲的抑制原理如下圖2.3所示。

圖 2.3 門(mén)控選通技術(shù)對(duì)噪聲抑制原理示意圖

3. 光催化在線(xiàn)拉曼檢測(cè)系統(tǒng)操作說(shuō)明

催化劑填充

光熱催化微反系統(tǒng)開(kāi)機(jī)

CEL-BRS 開(kāi)機(jī)采集

開(kāi)啟激光器，確認(rèn)光路無(wú)偏移，確認(rèn)聚焦光斑無(wú)變化。同時(shí)確認(rèn)CEL-BRS系統(tǒng)如圖1.6所示連接。

打開(kāi)Delay Generator單元Switch開(kāi)關(guān)；

打開(kāi)Gain Control單元220V開(kāi)關(guān)按鈕，正反面如下圖3.8所示，圖3.9所示。

• 打開(kāi)光譜儀開(kāi)關(guān)。

• 雙擊桌面軟件。

  

• 等待10秒鐘，顯示界面如下圖3.10所示。

圖3.10 軟件界面圖

點(diǎn)擊<采集設(shè)置>按鈕，彈出如下圖3.11所示窗口。且右下角綠色指示，證明整個(gè)CEL-BRS設(shè)備通訊正常。

• 圖3.11 初始界面顯示




設(shè)置<相機(jī)設(shè)置>與<通道設(shè)置>相關(guān)參數(shù)如下圖3.12，3.13所示。






• 圖3.12 相機(jī)設(shè)置窗口參數(shù)




• 圖3.13 通道設(shè)置窗口參數(shù)




打開(kāi)<光譜儀>選項(xiàng)，，點(diǎn)擊連接光譜儀，光譜儀選擇MS2004，參數(shù)設(shè)置如下圖3.14所示。點(diǎn)擊Shutter開(kāi)啟。

• 圖3.14 光譜儀設(shè)置參數(shù)窗口

參數(shù)設(shè)置好，點(diǎn)擊標(biāo)題欄的<單幀>按鈕，軟件出現(xiàn)單幀采集界面，如下圖3.15所示。單幀模式適合單次測(cè)量，實(shí)時(shí)觀(guān)察樣品信號(hào)。

• 圖3.15 單幀測(cè)試模式窗口




在有些原位拉曼測(cè)試中，需要長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試?yán)盘?hào)，軟件自動(dòng)保存數(shù)據(jù)，需要設(shè)置<間隔拍攝>參數(shù)，如下圖3.16所示。設(shè)置需要保存文件的路徑與文件名。根據(jù)實(shí)際需要監(jiān)測(cè)情況，設(shè)置間隔時(shí)間，以及總測(cè)試幀數(shù)。圖中表示每5分鐘測(cè)試一次，共測(cè)試3小時(shí)。



• 圖3.16 間隔拍攝模式窗口




點(diǎn)擊標(biāo)題欄<間隔>采集按鈕，如下圖3.17所示。軟件以序列方式采集信號(hào)。

• 4.軟件數(shù)據(jù)的顯示及處理




1）單幀模式采集
在單幀模式采集時(shí)，數(shù)據(jù)保存需要手動(dòng)點(diǎn)擊<保存光譜>,保存當(dāng)前窗口數(shù)據(jù)。如下圖4.1所示。保存的數(shù)據(jù)格式有：.csv，.cie







• 圖4.1 保存格式窗口









2）間隔拍攝模式采集
在間隔拍攝模式中，軟件以所設(shè)置的間隔時(shí)間采集序列，測(cè)試的數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)保存在所設(shè)置的文件夾內(nèi)，如下圖所示4.2所示。




圖4.2 間隔拍攝保存數(shù)據(jù)


3）數(shù)據(jù)處理

保存好的數(shù)據(jù)可以用任何軟件處理。如下圖4.3，4.4所示。單幀數(shù)據(jù)處理與時(shí)序模式處理數(shù)據(jù)結(jié)果。通過(guò)對(duì)拉曼峰的研究得到樣品的分子振動(dòng)，濃度和取向以及物質(zhì)的力學(xué)性質(zhì)。








圖4.3 一維數(shù)據(jù)處理結(jié)果





圖4.4 三維數(shù)據(jù)處理結(jié)果


測(cè)試樣品：Tio2；測(cè)試時(shí)間：3小時(shí)；
測(cè)試間隔：5分鐘；每次拉曼采集時(shí)間：30秒