CN102721677B - 一种非共线光参量放大荧光光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非共线光参量放大荧光光谱仪，包括荧光收集和会聚系统，用于对样品受激产生的荧光进行收集和会聚，所述荧光收集和会聚系统包括具有中心孔的凸面镜和具有中心孔的凹面镜，凸面镜与凹面镜共轴放置，且凸面镜的凸面与凹面镜的凹面相对，且凸面镜的中心孔与凹面镜的中心孔位于所述轴上。

Description

一种非共线光参量放大荧光光谱仪

技术领域

本发明属于超快时间分辨荧光光谱测量技术领域，尤其涉及一种非共线光参量放大荧光光谱仪。

背景技术

超快时间分辨荧光光谱测量技术是光物理、光化学、生物等领域重要技术手段，用于分析体系内的能量传递、电子转移，以及结构变化等过程。目前光学方法实现超快时间分辨荧光光谱测量方法包括荧光上转换技术、光克尔门技术以及非共线光参量放大荧光光谱技术。相对于前两者，非共线光参量放大荧光光谱技术具有高增益、宽增益带宽、低探测极限的优势。通常的非共线光参量放大荧光光谱仪的结构如图1所示。其中1为激光光源，2为光分束片，3为样品激发光部分，4为聚焦透镜一，5为样品池，6为荧光收集和会聚系统，7为光延迟系统，8为荧光放大泵浦光产生部分，9为聚焦透镜二，10为光参量晶体，11为信号采集系统。

其中利用非共线光参量放大荧光光谱仪进行光谱测量时，荧光收集和会聚系统6是非常重要的一个环节。目前常用的三种荧光收集和会聚系统如图2a、2b和2c所示。上述三种荧光收集和会聚方法存在一个共性缺陷，即透射样品的激发光与样品受激后初始时刻辐射的荧光几乎同时到达光参量晶体。由于非共线光参量放大荧光光谱仪具有宽增益带宽的特性，当自发辐射荧光相对激发光频率移动较小时，透射样品的激发光和荧光会同时处在系统增益带宽内。非共线光参量放大荧光光谱仪的上述特点使得透射样品的激发光和样品初始时刻辐射的荧光同时被放大，并进行放大能量竞争。透射样品激发光为相干光，相对非相干荧光在光参量放大过程具有更高的增益，因此样品受激后初始时刻的荧光放大信号会发生严重畸变。虽然高通滤光片能够抑制激发光，但并不能完全消除较强透射激发光。特别对于低荧光效率的样品，为增加荧光光强，必须增加激发光强度。

综上所述，现有非共线光参量放大荧光光谱仪中荧光采集和会聚方式需要进一步改进。

发明内容

因此，本发明的目的在于克服上述现有非共线光参量放大荧光光谱仪中，透射样品的激发光和样品初始时刻辐射的荧光同时被放大的问题，提供一种非共线光参量放大荧光光谱仪，能够使透射样品的激发光的光程小于荧光的光程。

本发明提供一种非共线光参量放大荧光光谱仪，包括荧光收集和会聚系统，用于对样品受激产生的荧光进行收集和会聚，所述荧光收集和会聚系统包括具有中心孔的凸面镜和具有中心孔的凹面镜，凸面镜与凹面镜共轴放置，且凸面镜的凸面与凹面镜的凹面相对，且凸面镜的中心孔与凹面镜的中心孔位于所述轴上。

根据本发明提供的非共线光参量放大荧光光谱仪，其中样品放置在凸面镜的与凹面镜相反的一侧。

根据本发明提供的非共线光参量放大荧光光谱仪，其中透射样品的激发光经所述凸面镜的中心孔和所述凹面镜的中心孔透射。

根据本发明提供的非共线光参量放大荧光光谱仪，其中样品受激产生的荧光穿过凸面镜的中心孔后入射到凹面镜上，并被凹面镜反射回到凸面镜，然后被凸面镜反射并穿过凹面镜的中心孔。

根据本发明提供的非共线光参量放大荧光光谱仪，其中所述荧光收集和会聚系统的垂直放大率在5-15之间。

根据本发明提供的非共线光参量放大荧光光谱仪，其中所述荧光收集和会聚系统的垂直放大率为10。

根据本发明提供的非共线光参量放大荧光光谱仪，其中所述荧光收集和会聚系统的荧光收集空间角在0.01×4π至0.5×4π之间。

根据本发明提供的非共线光参量放大荧光光谱仪，其中所述荧光收集和会聚系统的荧光收集空间角为0.02×4π。

根据本发明提供的非共线光参量放大荧光光谱仪，其中在光路中，所述荧光收集和会聚系统的下游具有长波带通滤光片。

根据本发明提供的非共线光参量放大荧光光谱仪，其中所述荧光收集和会聚系统为卡塞格林（Cassegrain）系统。

本发明提供的非共线光参量放大荧光光谱仪，能够使透射样品的激发光的光程小于荧光的光程，从而避免透射样品的激发光和样品初始时刻辐射的荧光同时被放大。

附图说明

以下参照附图对本发明实施例作进一步说明，其中：

图1为现有的非共线光参量放大荧光光谱仪的结构示意图；

图2a-2c为现有的荧光收集和会聚系统的结构示意图；

图3为根据本发明一个实施例的非共线光参量放大荧光光谱仪的光路示意图；

图4为根据本发明一个实施例的荧光收集和会聚系统的结构示意图；

图5为利用本发明一个实施例提供的光谱仪测量的532nm脉冲光激发若丹明6G的荧光动力学的571nm处单波长数据采集结果；

图6为利用本发明一个实施例提供的光谱仪测量的532nm脉冲光激发若丹明6G的荧光动力学的多波长数据采集结果。

具体实施方式

根据本发明的一个实施例，提供一种非共线光参量放大荧光光谱仪，其结构如图3所示，包括：

激光光源1，为掺钛蓝宝石飞秒再生放大系统（中心波长800nm，脉冲重复频率1kHz，单脉冲能量700uJ,脉冲宽度150fs）；

光分束片2，对于800nm光束的透射反射比为1:1，用于将激光光源1发出的激光分成透射光束和反射光束；

样品激发光部分3，位于上述透射光束的光路中，包括非共线光参量放大器（NOPA）3-1、倍频器（SHG）3-2以及滤光片3-3，可以提供800nm基频、400nm倍频、基于非共线光参量放大原理产生的520-710nm三种激发光选择；

第一聚焦透镜4，为熔石英材料，直径25.4mm，焦距50mm，用于对激发光部分3发出的激发光会聚；

样品池5，用于承载样品，其窗片为石英材料；

卡塞格林系统6，用于对样品受激后产生的荧光进行收集和会聚，其放大结构如图4所示，包括具有中心孔的凸面镜M1和具有中心孔的凹面镜M2，凸面镜M1与凹面镜M2共轴放置，且凸面镜M1的凸面与凹面镜M2的凹面相对，且凸面镜M1的中心孔与凹面镜M2的中心孔位于凸面镜M1与凹面镜M2的轴上，凹面镜M2的直径为90mm，中心孔径22.3mm，曲率半径-162.8mm，凸面镜M1的直径为30mm，中心孔径3.61mm，曲率半径140.4mm，凹面镜M2和凸面镜M1间距约134mm，荧光会聚形成的像点距凹面镜M2约300mm，该卡塞格林系统的垂直放大率为10，荧光收集空间角为0.02×4π；

长波带通滤光片7，其中从样品激发光部分3发出的光被第一聚焦透镜4会聚并入射到样品池中的样品S上，样品受激产生的荧光穿过凸面镜M1的中心孔后入射到凹面镜M2上，并被凹面镜反射到凸面镜上，然后经凸面镜反射并穿过凹面镜的中心孔，并经过长波带通滤光片7后成像在光参量晶体上，而透射样品的激发光经卡塞格林系统6的凸面镜M1和凹面镜M2的中心孔透射，激发光的瑞利散射光被长波带通滤光片7阻挡；

光延迟系统8，位于上述反射光束的光路中，由精密电动平移台和中空角镜组成；

荧光放大泵浦光产生部分9，包括由凸透镜9-1、凹透镜9-2组成的缩束系统、β相偏硼酸钡晶体(BBO,相位匹配角29.2°)9-3，400nm高反镜9-4和400nm高反镜9-5，上述反射光束经光延迟系统8后，首先经过凸透镜9-1和凹透镜9-2组成的缩束系统，再经过BBO晶体9-3倍频产生400nm泵浦光，光束经过倍频晶体后包含400nm与800nm，其中800nm光束经过两块400nm高反镜9-4、9-5后被消除，形成400nm泵浦光；

第二聚焦透镜10，用于会聚上述400nm泵浦光；

β相偏硼酸钡晶体（BBO）11，用于光参量荧光放大，相位匹配角32°，厚2mm，第二聚焦透镜10会聚的400nm泵浦光与卡塞格林荧光收集和会聚系统6所收集和会聚的样品受激产生的荧光均入射到BBO晶体11上，调节荧光的入射角度以及光斑在光参量晶体上的位置，使荧光、400nm泵浦光、光参量晶体三者满足一类相位匹配关系，通过调整光延迟系统，改变400nm泵浦光光程，使泵浦光与样品受激后不同时刻自发辐射的荧光同时到达光参量晶体11，实现对样品受激后不同时刻的荧光的非共线光参量放大，形成荧光放大信号；

信号采集系统12，包括透镜12-1、单色仪12-2、光电二极管12-3、信号放大器12-4、锁相放大器12-5（配斩波器chopper）、计算机12-6，用于对荧光放大信号进行单波长数据采集，完成非共线光参量放大荧光光谱测量。

其中信号采集系统12也可以为多波长数据采集系统，包括透镜、单色仪、CCD、计算机，用于对荧光放大信号进行多波长数据采集。

本发明通过采用上述的卡塞格林系统6作为荧光收集和会聚系统，来解决透射样品的激发光和样品初始时刻辐射的荧光同时被放大的问题。透射样品的激发光以及其瑞利散射光是现有非共线光参量放大荧光光谱测量技术中初始时刻荧光放大信号的主要干扰来源。激发光的瑞利散射光强度很弱，可以完全被相应的长波带通滤光片消除。但透射样品激发光强度一般较强，不能用长波带通滤光片完全消除。采用如图2所示的荧光收集和会聚方法，透射样品激发光和荧光同时被收集和会聚，并且两者具有相等光程。因此采用图2中所示的荧光收集和会聚方法会造成透射样品激发光与样品受激后初始时刻辐射的荧光同时被放大，透射样品激发光和样品受激后初始时刻荧光形成能量竞争关系。相对于非相干性的荧光，透射样品激发光是相干光，在光参量放大过程中具有更高的增益。因此上述能量竞争会使得初始时刻荧光放大信号较真实值明显减小，即造成样品受激后初始时刻辐射的荧光放大信号严重畸变。

而采用卡塞格林系统6实现荧光收集和会聚能够有效避免上述干扰。受激样品辐射的荧光经卡塞格林系统6的凹面镜和凸面镜两次反射实现收集和会聚，透射样品激发光直接穿过卡塞格林系统6的中心孔而不被收集，因此在光参量晶体处收集的荧光光程大于透射样品激发光的光程，进而能避免透射样品激发光对初始时刻荧光放大信号的干扰。激发光的瑞利散射光具有较大的发散性，同样能被卡塞格林系统收集并会聚，因此在光参量晶体处激发光的瑞利散射光与收集的荧光具有相同的光程，是初始时刻荧光放大信号的干扰源之一。激发光的瑞利散射光强度很弱，能被长波带通滤光片7有效消除。因此在非共线光参量放大荧光光谱仪中采用卡塞格林系统收集和会聚荧光能够提高光谱仪的性能。图5和图6是利用本实施例提供的非共线光参量放大荧光光谱仪测量的532nm脉冲光激发若丹明6G的荧光动力学的单波长数据采集和多波长数据采集结果。荧光信号的上升沿非常平滑表明样品受激后初始时刻辐射的荧光放大信号不存在激发光的干扰。

根据本发明的其他实施例，其中所采用的卡塞格林系统的具体参数不限于上述实施例中的参数，但是所采用的卡塞格林系统的垂直放大率优选在5-15之间，相应角放大率优选在1/15-1/5之间，且其中收集荧光的空间应尽量大，从而收集更多的荧光，其中荧光收集空间角优选范围为介于0.01×4π至0.5×4π之间。

本发明中，通过采用卡塞格林系统对样品受激产生的荧光进行收集和会聚而提高了光谱仪的性能。上述实施例中仅仅提供了一种具体的非共线光参量放大荧光光谱仪的示例，并不旨在限定上述光谱仪的结构，本领域技术人员可以理解的是，还可以采用其他的光谱仪结构，只要是采用卡塞格林系统对荧光进行收集和会聚即可。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种非共线光参量放大荧光光谱仪，包括荧光收集和会聚系统，用于对样品受激产生的荧光进行收集和会聚，所述荧光收集和会聚系统包括具有中心孔的凸面镜和具有中心孔的凹面镜，凸面镜与凹面镜共轴放置，且凸面镜的凸面与凹面镜的凹面相对，且凸面镜的中心孔与凹面镜的中心孔位于所述轴上，

其中样品放置在凸面镜的与凹面镜相反的一侧，透射样品的激发光经所述凸面镜的中心孔和所述凹面镜的中心孔透射，样品受激产生的荧光穿过凸面镜的中心孔后入射到凹面镜上，并被凹面镜反射回到凸面镜，然后被凸面镜反射并穿过凹面镜的中心孔。

2.根据权利要求1所述的非共线光参量放大荧光光谱仪，其中所述荧光收集和会聚系统的垂直放大率在5-15之间。

3.根据权利要求2所述的非共线光参量放大荧光光谱仪，其中所述荧光收集和会聚系统的垂直放大率为10。

4.根据权利要求1所述的非共线光参量放大荧光光谱仪，其中所述荧光收集和会聚系统的荧光收集空间角在0.01×4π至0.5×4π之间。

5.根据权利要求4所述的非共线光参量放大荧光光谱仪，其中所述荧光收集和会聚系统的荧光收集空间角为0.02×4π。

6.根据权利要求1所述的非共线光参量放大荧光光谱仪，其中在光路中，所述荧光收集和会聚系统的下游具有长波带通滤光片。

7.根据权利要求1所述的非共线光参量放大荧光光谱仪，其中所述荧光收集和会聚系统为卡塞格林系统。