为了使皮秒激光脉冲激发拉曼信号在光谱上分散，光被引导到足够长单模光纤中。光纤的输出端耦合到时间门控光子倍增管(PMT)。由于光纤芯提供了频率-时间转换，不同频率光子经历不同的瞬态时间。通过测量光子到达的时间，拉曼峰就可以被记录和分离。在某些情况下荧光背景可以从拉曼信号中消除，因为它的寿命更长。因此利用时间相关光子计数拉曼光谱可以获得无荧光背景自由拉曼光谱。
在典型的拉曼散射中，一束光被聚焦到样品中。散射信号随后由聚光镜收集入分光仪，不同波长的拉曼峰被分光仪内的光栅在空间上分隔开。在时域中这些峰通常被认为是同时到达光谱仪。这种方法中拉曼信号通常被荧光辐射污染。通过对发射信号进行时间门控，可以将拉曼信号从荧光背景中分离出来:如果短脉冲光激发分子，拉曼信号在脉冲的脉宽范围内发射，而荧光的寿命更长。根据这个想法可得到无荧光的拉曼光谱。但是仪器变得更复杂，且由于通过门控系统和光谱仪不可避免的损耗，信号的幅值显著降低。此外通过光学元件，特别是光谱仪光栅的传输通常是偏振相关的。
新的拉曼信号的采集和分析方法解决了这两个障碍:相对较弱的信号水平和不消失的荧光背景。通过将采集到的拉曼信号送入足够长的光纤中，拉曼峰可以被时间分离。通过将时间门控光电倍增管(PMT)与时间相关检测相结合，能够在时域内实现高灵敏度的信号检测。利用光纤的色散规律可以推导出常规的拉曼光谱。
图1
图1为该方法的原理图。图1显示了拉曼信号和荧光信号在取样后不久(见上图)以及在光纤中传播足够长的距离(见下图)后的频率-时间分布。在上图中所描述的情况下，当信号刚从样本发出时，拉曼峰在频域可以分离，而在时域则是混合的。在足够长的光纤中传播后，由于色散规律，不同频率的峰值在时间上被分离。相反，与瞬时和瞬态拉曼信号不同，荧光发射具有更长的寿命。通过对光纤输出信号的投影，我们可以分离不同的拉曼峰，也可以对荧光进行拉曼信号的区分。图2中在最后还可通过档位式反射镜将信号引入到光谱仪中。因此，与传统的拉曼光谱表达式(较短波长先出现)不同，PMT检测到的信号是相反的:较长波长的峰先出现，而剩余激发峰最后出现。
图2
实验设置如图2所示。使用带有光电倍增管的时间相关光子计数系统(PMT, Hamamatsu公司，型号:R3809U-50)，该系统有4096个额定时间通道。为了创造足够的色散并避免模态色散，选择400米长的单模光纤(Fibercore Inc.，型号:SM600)。使用2 MHz Nd:YVO4激光器，从该激光器产生二次谐波(532 nm)激发样品。脉冲宽度为7 ps。信号通过物镜(Edmund Inc，NA=0.4)聚焦到一个充满二甲基亚砜(DMSO)的细胞。在这种设置下聚焦点可以小于2µm2，从本质上限制了未来实验中潜在的空间分辨率。传输的辐射被一个相同的物镜收集，并通过另一个聚焦透镜定向到单模光纤中。将光纤的输出信号准直后送入PMT。PMT是由光子计数电子学通过适当的延迟线发送一部分入射光束触发的。激发脉冲(532 nm)后，检测持续60 ns，则每个通道的标称时间间隔为15 ps，这定义了该设置的时间分辨率，因此更换相应器件将改变系统的时间分辨率。
图3
图3为使用上述系统测得得甲醇（左）和乙醇（右）的拉曼谱，400 m的单模光纤提供了3波数的光谱分辨率。为了得到实际的拉曼光谱，需要对采集到的PMT信号进行校正。首先，根据光纤的色散关系，进行时频转换。频谱可以通过直接反转时间轴来推导。响应，包括PMT的灵敏度和光纤的传输因子也应考虑。PMT校准数据可来自探测器提供的数据集。如果荧光发射的时间长得多(>20 ns)，荧光的效果也可以降低。整个系统没有可移动的部件，可用电子手段选择所需的光谱，并控制光谱分辨率。光谱分辨率可以通过使用更快的PMT/APD或更高的色散进一步提高。测量可以在任何激发波长使用一个光子计数探测器。对于用于拉曼测量的532 nm激发波长，需要100米长的光纤来获得足够的(10波数)光谱分辨率。此外该系统还需针对不同的材料选择相应的探测器，以保证波长范围内极高的敏感性。另外单模光纤的传输不足，拉曼峰的强度大大降低，曝光时间也会延长。多模光纤相反提供更好的传输，但诱导模色散，峰值就会扩散并相互重叠。
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