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单光子时间分辨成像光谱仪研发与应用

2021-11-25

 

科学仪器是人们对物理化学反应过程的信息进行测量与控制的重要手段,是科学研究的基础。随着生命科学和纳米科学等相关科学领域的进步,仅仅回答“是什么”(What)和“有多少”(How much)的问题已无法满足科学家探索未知世界的需求,必须还要同时回答“何时发生变化”或“随时间怎样变化”(When)以及“在哪儿发生变化”(Where)的问题。为了达到科学家们想要的“4W”或“四定”(定成份、定量、定时、定位)目标,生命科学、纳米科学、化学以及能源科学等领域迫切需要一种新的光谱仪器技术,能够将时间分辨光谱技术与成像光谱技术进一步相结合,形成新型的时间分辨成像光谱技术,在一次测量中同时获取时间、空间、光谱信息,也就是在一次测量中同时回答“四定”问题。
基于上述需求,国家重大科学仪器设备开发专项项目“单光子时间分辨成像光谱仪研发与应用”(项目编号:2013YQ030595)提出单光子时间分辨成像光谱仪研究计划,创新性地将压缩感知(Compressed Sensing, CS)原理和单光子时间分辨技术相结合,开发了一种同时获取样品成份、空间分布及动态变化信息的新型仪器。该项目能够很好地解决当前时间分辨成像光谱技术研究所面临的维度和灵敏度两个关键性技术障碍。
该项目由南开大学牵头,联合中国科学院国家空间科学中心、北京理工大学、北京东方锐镭科技有限公司、合肥工业大学、北京航空航天大学、中国科学院上海光学精密机械研究所等多家单位共同完成,起止时间为2013年10月至2018年9月。项目研制包含单光子时间分辨成像光谱仪在内的新仪器5台、新装置7套,研发了高速大容量DMD驱动控制系统、高精度多通道时间测量系统、单光子时间分辨成像光谱测量系统显微部件、卡塞格林双反射光学成像单元、线阵近红外单光子探测器等多项核心关键部件。建立了算法数据库与人骨髓间充质干细胞钙离子分布数据库,形成单光子时间分辨成像技术在植物光保护研究中应用的新方法,开发单光子时间分辨成像光谱仪软件,并实现相关技术成果的产业化。项目研发的高速大容量DMD驱动控制系统获得第21届中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖、2020中国创新创业成果交易会最具投资价值奖等。