CN103048044A - 一种和频光谱微弱信号检测系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种和频光谱微弱信号检测系统。所述微弱信号检测系统包括光电倍增管、Boxcar积分器和信号采集和处理程序；所述Boxcar积分器包括依次通过电缆连接的信号前置放大模块、信号采集模块和信号模数转化模块；所述光电倍增管的信号输出端与所述信号前置放大模块通过电缆连接；所述模数转化模块与所述信号采集和处理程序通过电缆连接。本发明提供的微弱信号检测系统克服了商用和频光谱仪原有检测系统灵敏度较低，对微弱的和频信号无法测量的困难，提高了和频振动光谱实验中信号测量的灵敏性和精确度。本发明提供的微弱信号检测系统也适用于光学手段检测的其他的气/液界面，以及气/固界面或液/固界面。

Description

一种和频光谱微弱信号检测系统
技术领域
本发明涉及一种光谱信号检测系统，特别涉及一种和频光谱微弱信号检测系统。
背景技术
和频振动光谱是一种非线性光学检测方法，由一束波长可调谐的红外激光与一束波长固定的可见激光同时同点入射至样品表面，在反射方向上产生一束频率为两束入射激光频率之和的和频信号光，扫描红外激光，当红外激光频率与样品分子基团的振动跃迁共振时，和频信号光增强，从而得到和频振动光谱。由于和频信号为二阶非线性光学响应，所以只有在中心对称被破坏的情况下才会产生，对于各向同性的物质，和频信号为零。界面分子受到上下两相的作用不同，因此中心对称性在界面上受到破坏，因此和频振动光谱具有界面选择性。由于和频光谱能细致的反映出界面分子密度、基团取向角、分子化学性质等重要信息，其被广泛的应用于研究各种界面，包括纳米颗粒表面，金属表面，高分子表面和离子液体表面等，解决了许多催化体系，生物体系和电化学体系中的基本问题。
微弱信号检测是实验科学中的重点和难点问题，微弱信号检测的灵敏度已经成为衡量检测仪器性能好坏的主要标准之一。和频光谱信号测量就属于微弱信号检测，尤其是对于空气/水界面的和频信号，被认为是最微弱的和频信号之一。空气/水界面是自然界中最常见最重要的界面，对该界面和频信号的测量和分析是在分子层次上认识微观世界的重要基础，包括界面分子取向、结构和动力学等。由于现有的商用和频光谱系统的信号检测灵敏度不够，难以测量界面或表面的微弱和频信号，因此很有必要对其进行改造，进而搭建新的和频光谱微弱信号检测系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的和频振动光谱的微弱信号检测系统，通过该信号检测系统与和频光谱仪的联用，使和频光谱信号检测的灵敏度提高1～2个数量级，从而满足绝大部分气/液界面的和频光谱信号测量的需求。
本发明提供的一种和频光谱微弱信号检测系统包括光电倍增管、Boxcar积分器和信号采集和处理程序；所述Boxcar积分器包括依次通过电缆连接的信号前置放大模块、信号采集模块和信号模数转化模块；所述光电倍增管的信号输出端与所述信号前置放大模块通过电缆连接；所述模数转化模块与所述信号采集和处理程序通过电缆连接。
上述的和频光谱信号检测系统中，所述光电倍增管输出的和频电信号与所述信号前置放大模块的接口串连，可进行选择性的放大；经所述信号前置放大模块放大的和频信号输出至所述信号采集模块的信号端口(signal)，通过和频光谱仪的固有频率脉冲信号触发(trigger)形成取样信号，然后设置取样信号的门宽、延迟来保持对和频信号峰值部位的取样，最后输出单次取样信号(last sample)；单次取样信号进入所述信号模数转化模块的模拟信号输入端口，通过模数转换成为数字信号，然后通过所述信号采集和处理程序进行读取。
上述的和频光谱微弱信号检测系统中，所述光电倍增管上可套设有不透光的套筒，以防止外部杂散光对微弱信号测量的影响。
上述的和频光谱微弱信号检测系统中，所述不透光的套筒可为铝筒。
上述的和频光谱微弱信号检测系统中，所述光电倍增管与高压电源相连接，所述高压电源的电压为0～1500V，可为所述光电倍增管提供电压，保证微弱的和频信号可以得到不同程度的放大。
上述的和频光谱微弱信号检测系统中，所述Boxcar积分器可与示波器相连接，以方便观测取样信号与和频信号，从而保持取样的准确性与真实性。
上述的和频光谱微弱信号检测系统中，所述信号采集和处理程序可利用Labview开发，主要包括两个子程序：scan.vi和signal.vi；scan.vi对Boxcar积分器的信号模数转化模块以固定频率进行扫描，得到和频数字信号后以二进制形式存放于串口的缓冲区内；signal.vi则从缓冲区读取二进制的数字信号进入计算机，所述信号采集和处理程序将其转化为十进制信号并进行多次采样平均。
使用上述和频光谱微弱信号检测系统时，所述光电倍增管前端的石英窗口与被检测的和频激光信号对准，后端输出的和频电信号通过电缆连接到所述Boxcar积分器。
本发明提供的和频光谱微弱信号检测系统，其中的光电倍增管具有较高的信噪比，Boxcar积分器可以对信号取样的位置和门宽进行设定，而信号采集和处理程序通过多次采样平均可以显著的提高信噪比，因此实现了大幅提高信号检测灵敏度的目的；本发明提供的和频光谱微弱信号检测系统，不仅可以测量空气/水界面等气/液界面的微弱和频信号，还适用于和频信号较弱的气/固界面或液/固界面；本发明提供的和频光谱微弱信号检测系统，进行部分改进后，还可应用于红外、拉曼等光谱或者电学方面的微弱信号测量。
附图说明
图1为本发明的和频光谱微弱信号检测系统的结构示意图。
图2为本发明中Boxcar积分器电缆连接的实物图。
图3为本发明中Boxcar积分器对和频信号取样的原理图。
图4为本发明中信号采集和处理程序的Labview源程序结构图。
图5为本发明中利用微弱信号检测系统和原有检测系统，分别对空气/水界面自由OH的和频振动光谱的测试结果。
图6为本发明中利用微弱信号检测系统测量得到的空气/水界面氢键和自由OH的和频振动光谱。
图中各标记如下：1光电倍增管、2Boxcar积分器、3计算机、4示波器、5高压电源、6和频光谱仪。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明，但本发明并不局限于以下实施例。
实施例1、和频光谱微弱信号检测系统
本实施例提供的和频光谱微弱信号检测系统包括光电倍增管1、Boxcar积分器2和计算机3；Boxcar积分器2包括依次通过电缆连接的信号前置放大模块、信号采集模块和信号模数转化模块；光电倍增管1上套设有镀黑的铝筒(图中未示出)，以防止外部杂散光对微弱信号测量的影响；计算机3内设有信号采集和处理程程序，该信号采集和处理程序利用Labview开发，主要包括两个子程序：scan.vi和signal.vi；该程序主要工作方式如下：scan.vi以和频光谱仪的固定频率对信号模数转化模块5进行扫描，在和频信号进行模数转换以后，scan.vi读取相应的和频数字信号，以二进制形式存放于计算机3串口的缓冲区内；signal.vi则从缓冲区读取二进制的数字信号进入计算机3，信号采集和处理程序将其转化为十进制信号并进行多次采样平均，最终实现对微弱和频信号的检测；光电倍增管1与高压电源5相连，其电压为0～1500V，保证微弱的和频信号可以得到不同程度的放大；光电倍增管1的后端输出的增强的和频脉冲电信号通过电缆与信号前置放大模块相连接，信号模数转化模块与计算机3内设置的信号采集和处理程序相连接；Boxcar积分器2与示波器4相连接，以方便观测取样信号与和频信号，从而保持取样的准确性与真实性。
使用上述微弱信号检测系统时，将光电倍增管1前端的石英窗口与和频光谱仪6发出的被检测的和频脉冲激光信号对准，以保证和频信号完全进入光电倍增管1进行光电转换并得到多次增强；光电倍增管1后端输出增强的和频脉冲电信号，通过电缆连接到Boxcar积分器2进行取样等处理；如图2所示，和频电信号首先输入到信号前置放大模块的接口，进行5，25或125倍的放大后，输出至信号采集模块的“signal”接口；将和频光谱仪6的固有频率脉冲信号连接到信号采集模块的“trigger”端口，进行触发形成取样信号，然后设置取样信号的门宽“width”和延迟“delay”来保持与和频信号峰值部位的重叠并取样；同时将信号采集模块的取样信号“gate”与和频信号“signal output”输出到示波器4的两个通道上，便于观测取样过程和调节取样信号；完成取样后，信号采集模块的单次取样信号“last sample”输出到信号模数转化模块的任意模拟信号输入端口，通过信号采集模块的触发信号“busy”对信号模数转化模块的“digital1”端口进行触发后，单次取样的模拟信号被转换为数字信号；信号模数转化模块的串口与计算机3的串口相连，通过信号采集和处理程序读取并处理和频数字信号。
上述的和频光谱微弱信号检测系统中，光电倍增管还可以采用R4220，R4220P(Hamamatsu)等型号产品，Boxcar积分器还可以用单光子计数器等代替，信号采集和处理程序还可以利用C、Fortune、Delphi等语言进行开发。
实施例2、利用实施例1的微弱信号检测系统测量空气/水界面的和频光谱
本实施例所用激光器购买于立陶宛EKSPLA公司。激光重复频率为10Hz，皮秒激光系统通过被动锁模产生脉宽为23皮秒左右的1064nm激光，能量在30mJ/pulse左右。由1064nm的基频光通过倍频以及和频过程，得到频率为532nm和355nm的激光，其中532nm激光通过偏振控制和延时控制后直接用于实验中的一束可见光，而355nm激光则通过基于LBO(LiBO4)晶体的OPG(光学参量产生)/OPA(光学参量放大)过程和基于AgGaS2晶体DFG(差频)过程产生从420nm到2300nm的可调谐激光，这部分激光用来与分出的另外一部分1064nm激光进行差频，可以得到2300nm到10000nm波长范围内的激光。因此这套激光系统提供同时可用的激光是频率固定的532nm激光和频率可调的420nm到10000nm的激光。红外激光的光谱分辨在整个范围内在6cm-1以下，在和频振动光谱实验使用最多的3000nm左右可以达到2cm-1左右。本实施例的研究对象主要集中在空气/水界面的氢键和自由OH的伸缩振动频率附近，所以主要使用532nm激光和频率为3000cm-1到3800cm-1的可调谐红外激光。实验过程一般控制可见和红外激光能量均在300μJ以下，通过控制可见激光，红外激光与和频信号的不同偏振方向，如s方向或p方向，即激光电场方向垂直或平行于可见激光和红外激光传播方向组成的平面。不同的偏振控制一般按照和频信号，可见激光，红外激光的顺序命名，例如ssp表示和频信号s偏振方向，可见入射激光s偏振方向，红外入射激光p偏振方向。
实验中采用Millipore处理过的超纯去离子水(电阻率18.2MΩ·cm)，注入直径约5cm的聚四氟乙烯圆槽进行测量，实验室控制恒温22.0±0.5℃和恒湿40％的环境。实验构型为：可见和红外激光入射角度分别为43°±1°和52°±1°，和频信号强度均对可见激光和红外激光光强做归一化处理。为了说明微弱信号检测系统相对于EKSPLA公司原有检测系统的优势，首先进行了空气/水界面自由OH的和频振动光谱(3700cm-1左右)的对比测试，结果如图5所示。实验采用ssp偏振组合，扫描步长为10cm-1，每个数据点使用200个脉冲信号的累加平均。可见激光能量100μJ左右，红外激光能量200μJ左右，光电倍增管高压为1488V。可以看出，原有检测系统测量的光谱强度接近噪声水平，而利用微弱信号检测系统可以检测到非常明显的光谱峰，具有较高的信噪比，比原有检测系统提高一个数量级左右，可见该系统的确能有效的提高和频信号的检测灵敏度。
利用微弱信号检测系统对空气/水界面氢键和自由OH的和频振动光谱(3000-3800cm-1)进行了测量。实验中，偏振组合包括ssp，ppp和sps，扫描步长为10cm-1。可见激光能量约300μJ，红外激光能量约200μJ，光电倍增管高压为1488V。对ssp和ppp光谱，每个数据点累加300个脉冲信号后平均；对sps光谱，每个数据点累加1000个脉冲信号后平均。实验结果如图6所示，ssp光谱中，3000-35000cm-1的氢键和3700cm-1左右的自由OH的光谱峰都很明显，信噪比都很好；而ppp光谱信号经过了5倍放大，信噪比依然很好。这说明微弱信号检测系统的检测灵敏度是非常高的，而且对于光谱扫描具有连续性和稳定性。
实验中对微弱信号检测系统的操作要注意以下问题：
(1)通过示波器的观测，调节Boxcar积分器的信号采集模块的“width”和“delay”，使取样信号门与和频信号的峰值部分重叠然后取样；
(2)实验前先打开Boxcar积分器预热，并让信号采集和处理程序运行一段时间，以保证实验中的工作稳定性；
(3)缓慢的给光电倍增管加电压，否则可能使其烧坏或不能正常工作；
(4)由于光电倍增管十分灵敏，实验中需要关灯以避免噪声干扰。
高灵敏度的微弱信号检测系统，除了具备对和频光谱进行精确测量的优势，还可以使界面分子取向和构型等定量光谱分析更加准确。

Claims (5)

1.一种和频光谱微弱信号检测系统，其特征在于：所述微弱信号检测系统包括光电倍增管、Boxcar积分器和信号采集和处理程序；所述Boxcar积分器包括依次通过电缆连接的信号前置放大模块、信号采集模块和信号模数转化模块；所述光电倍增管的信号输出端与所述信号前置放大模块通过电缆连接；所述模数转化模块与所述信号采集和处理程序通过电缆连接。
2.根据权利要求1所述的微弱信号检测系统，其特征在于：所述光电倍增管上套设有不透光的套筒。
3.根据权利要求2所述的微弱信号检测系统，其特征在于：所述不透光的套筒为铝筒。
4.根据权利要求1-3中任一所述的微弱信号检测系统，其特征在于：所述光电倍增管与高压电源相连接，所述高压电源的电压为0～1500V。
5.根据权利要求1-4中任一所述的微弱信号检测系统，其特征在于：所述Boxcar积分器与示波器相连接。
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