CN103592277B - 一种高精度荧光寿命测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度荧光寿命测量装置，该装置包括：飞秒级脉冲激光器、第一与第二光学分束器、第一与第二全反镜、显微物镜与光谱仪；其中，所述飞秒级脉冲激光器发射的激光经由第一光学分束器后分为两路光束，并分别通过第一与第二全反镜反射后，经由所述第一光学分束器合并为一路光束；所述一路光束经由第二光学分束器分为两路光束，其中反射光通过显微物镜作用于材料上，产生的荧光被显微物镜收集后由光谱仪测量信号的强度，进而获得荧光寿命。通过本发明公开的装置，提高了测量的精度及测量结果的可靠性。

Description

一种高精度荧光寿命测量装置

技术领域

本发明涉及凝聚态科学领域，尤其涉及一种高精度荧光寿命测量装置。

背景技术

在众多科研领域中，高精度的能级寿命测量是探索不同材料物理化学性质的非常重要的手段。尤其是一些微观物理体系的能级寿命测量，是该领域科学研究一个不可回避的问题。比如原子体系，量子点，纳米线等等，这些体系的物理尺寸一般在百纳米以下，而能级寿命短的可以达到几十皮秒。

现有技术中，测量如此短的能级寿命一般有如下三种方法：

1）参量光上转换的方法。这种方法充分利用了目前光学操作时间分辨率远高于电学的优势，一般使用宽度在一百飞秒量级的光脉冲与测量的材料发出荧光在非线性晶体中产生参量上转换光子，通过测量上转换光子的计数随时间的分布，则可得到材料的荧光寿命（粒子在激发态存在的平均时间，通常称为激发态的荧光寿命）。具体来说，当飞秒激光的光子频率为ω1，材料荧光光子频率为ω2，通过非线性晶体的参量上转换过程产生频率为ω3＝ω1+ω2的光子，这个过程的几率是和材料荧光光子的强度成正比。由于发生参量上转换的条件是两个光子时间上必须完全重合，换言之，只有和飞秒脉冲同时到达非线性晶体的荧光光子才有可能参与上转换过程。这个时间同时性的要求精度显然是由光脉冲宽度所决定的。由于光脉冲的强度可以认为是稳定不变的，产生上转换光子的几率完全由荧光强度所决定。当调节光脉冲的时间延时使其同荧光发射的不同时间点相重合时，产生频率为ω3光子数量也是不同的。所有材料的荧光发射都是随着时间呈e指数衰减的，强度表示为I＝I₀e^-t/τ，其中I₀为时间t＝0时刻的荧光强度，τ即为能级的荧光寿命。所以当调节光脉冲的延时为t_d时，产生的频率为ω3光子数量正比于此时的荧光光子数目，可以表示为这样通过测量N依赖于t_d的曲线，用一阶e指数函数拟合后就可以得到能级的荧光寿命。这种方法的测量精度显然是由光脉冲的宽度和光脉冲的延时精度二者中较差的一项所决定的。虽然通过借用于高精度的电动平移台，t_d精度可以到10飞秒以下，而光脉冲的宽度一般在一百飞秒的量级；但是实际使用中，由于参量上转换装置的搭建是有相当难度的，并且其稳定性也不够好。在荧光的波长变化时，就需要使用不同的非线性晶体，重新搭建参量上转换装置，因而这种方法的通用性和易用性是非常差的，实际科研中用的也比较少。

2）高精度电学时间分辨方法。这种方法是现有使用最广泛的荧光寿命测量手段，其操作简单，且有许多成熟的商业产品。比如Ortec公司的Pico-second Time Analyzer，Multi-channel Analyzer等。这种方法除了荧光信号之外，还需要一路与荧光信号同步的电信号，作为触发、启动时间分辨周期。实际实验中，一般是把激发荧光的激光脉冲先分束，一部分作用于光电探测器，产生的电信号作为“触发”输入，提示电路准备好接收真正的信号。另一路激发样品产生荧光，荧光被单光子探测器探测到后产生的电信号作为“停止”输入，电路通过处理可以精确标记“触发”和“停止”信号之间的延时。经过反复多次测量，“停止”信号在不同时间点计数就代表在这一时刻的荧光强度分布。把整个荧光强度随时间的变化描绘出来后，就可以通过拟合的办法得到荧光寿命的数值。这些电学处理仪器的分辨率现在一般在1皮秒左右，但是实际测量过程中，单光子探测器产生的电信号会有一个时间抖动，大约在100皮秒的量级。所以最终这套方法的时间分辨率也在100皮秒左右，这对于寿命只有几十皮秒的荧光测量来说，显然是过于粗糙的。

3）差分透射谱的方法。这种方法需要一束与材料能级共振的激光，分成两束后分别用声光调制器进行强度调制，调制频率分别为Ω1和Ω2，第二束光相对于第一束光设置延时为t。第一束光称之为泵浦光，第二束光称之为探测光。探测光通过材料后被光电探测器探测，探测的电平输入锁相放大器，锁相放大器探测的信号频率设为Ω1－Ω2。通过计算可以知道，这样提取的信号强度代表了由于泵浦光作用于样品，给探测光的透过率带来的变化。当两束光之间的延时增加时，泵浦光带来的影响会逐渐消失，消失的速度由能级寿命决定，所以锁相放大器提取的信号衰减速度等同于荧光寿命。这种方法的精度和第一种方法一样，可以达到激光脉冲宽度量级。缺点在于需要声光调制器，锁相放大器这样复杂昂贵的电学设备，而且要求激光要和能级共振。对于不同材料的寿命测量，需要的激光波长也不一样，因而使用受到限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度荧光寿命测量装置，提高了测量的精度及测量结果的可靠性。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种高精度荧光寿命测量装置，该装置包括：飞秒级脉冲激光器、第一与第二光学分束器、第一与第二全反镜、显微物镜与光谱仪；

其中，所述飞秒级脉冲激光器发射的激光经由第一光学分束器后分为两路光束，并分别通过第一与第二全反镜反射后，经由所述第一光学分束器合并为一路光束；

所述一路光束经由第二光学分束器分为两路光束，其中反射光通过显微物镜作用于材料上，产生的荧光被显微物镜收集后由光谱仪测量信号的强度，进而获得荧光寿命。

进一步的，所述光谱仪包括：第一与第二凹面镜、闪耀光栅与光电探测器ICCD；

其中，射入所述光谱仪中的激光通过第一凹面镜反射至所述闪耀光栅；

经过所述闪耀光栅衍射后的激光再经过所述第二凹面镜反射至所述光电探测器ICCD。

进一步的，所述第二全反镜放置于用于精确调节两束光之间时间延时的可调平移台上。

进一步的，经由所述第一光学分束器合并为一路的光束中包含一前一后两个光脉冲，其中靠前的光脉冲为泵浦光脉冲，靠后的光脉冲为探测光脉冲。

进一步的，所述泵浦光脉冲由所述第一全反镜反射，所述探测光脉冲由所述第二全反镜反射，并经由所述第一光学分束器合并为一路光束。

进一步的，由所述光谱仪测量信号的强度包括：

由所述光谱仪分别测量不同延时下泵浦光脉冲单独激发，以及泵浦光脉冲与探测光脉冲共同激发产生的荧光强度。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明无需要精密的电子时间分辨设备；对激光器波段要求低，因而适用于不同发光波长的荧光寿命测量；没有干涉和相位匹配需要，对环境稳定性要求低；精度高，误差随着光子数积累增多，可以达到激光脉冲宽度的极限。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1a为本发明实施例一提供的一种高精度荧光寿命测量装置的示意图；

图1b为本发明实施例一提供的一种高精度荧光寿命测量装置工作示意图；

图2为本发明实施例一提供的一种光谱仪的内部结构示意图；

图3为本发明实施例三提供的测量半导体量子点样品的荧光饱和曲线的示意图；

图4a为发明实施例三提供的利用泵浦光脉冲激发时光谱仪所探测到的荧光光谱的示意图；

图4b为本发明实施例三提供的利用泵浦光激发和用泵浦探测光共同激发时光谱仪所探测到的荧光光谱的示意图；

图5为本发明实施例三提供的不同探测光强度时激发的荧光强度与延时的关系曲线的示意图；

图6为本发明实施例三提供的不同探测光强度下所测量得到的荧光寿命结果的示意图；

图7为本发明实施例三提供的利用Ortec公司时间分辨模块和本发明所述方法测量的荧光寿命结果的示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

图1a为本发明实施例一提供的一种高精度荧光寿命测量装置的示意图。如图1a所示，所述高精度荧光寿命测量装置，主要包括：飞秒级脉冲激光器11、第一与第二光学分束器12-13、第一与第二全反镜14-15、显微物镜16与光谱仪17；

其中，所述飞秒级脉冲激光器11发射的激光经由第一光学分束器12后分为两路光束，并分别通过第一与第二全反镜14-15反射后，经由所述第一光学分束器12合并为一路光束；

所述一路光束经由第二光学分束器13分为两路光束，其中反射光通过显微物镜16作用于材料上，产生的荧光被显微物镜16收集后由光谱仪17测量信号的强度，进而获得荧光寿命

如图2所示，所述光谱仪包括：第一与第二凹面镜171-172、闪耀光栅173与光电探测器ICCD174；

其中，射入所述光谱仪中的激光通过第一凹面镜171反射至所述闪耀光栅173；

经过所述闪耀光栅173衍射后的激光再经过所述第二凹面镜172反射至所述光电探测器ICCD174。

进一步，所述第二全反镜放置于用于精确调节两束光之间时间延时的可调平移台18上。

进一步的，经由所述第一光学分束器12合并为一路的光束中包含一前一后两个光脉冲，其中靠前的光脉冲为泵浦光脉冲，靠后的光脉冲为探测光脉冲。

进一步的，所述泵浦光脉冲由所述第一全反镜14反射，所述探测光脉冲由所述第二全反镜15反射，并经由所述第一光学分束器12合并为一路光束。

进一步的，所述产生的荧光被显微物镜16收集后由光谱仪17测量信号的强度包括：由所述光谱仪17分别测量不同延时下泵浦光脉冲单独激发，以及泵浦光脉冲与探测光脉冲共同激发产生的荧光强度。

以上为本发明实施例提供的高精度荧光寿命测量装置主要组成结构，为了便于理解该装置的，下面针对其工作原理做进一步介绍。

如图1b所示，通过该装置中的第一光学分束器12将激光分为两束，并利用可调平移台18精确控制其中一束光脉冲延时后（射入第二全反镜15的光束），再把两束光合为一路，其中前一个光脉冲可定义为泵浦光脉冲（由第一全反镜14反射），后一个可定义为探测光脉冲（由第二全反镜15反射）。再通过第二光学分束器13将上述一路光束分为两路光束，其中的反射光（包括泵浦光脉冲与探测光脉冲，其强度可根据第二光学分束器13的透射和反射比确定）通过显微物镜作用于材料上，产生的荧光被显微物镜收集后由光谱仪测量信号的强度，进而获得荧光寿命。

为了设定两束光脉冲的强度，需要先测量材料的饱和曲线，使泵浦光脉冲和探测光脉冲的功率分率分别在饱和点功率之下和之上。为了测量荧光寿命，需要记录一系列时间延时点下，单独用泵浦光脉冲激发和用两个脉冲共同激发，所产生的荧光强度。

在进行激光波长选择时，使其能量高于所测量能级即可。对于半导体量子点能级寿命测量，激光能量只需要高于材料的能带隙。当包含一前一后两个光脉冲的一路光束经过第二光学分束器13后，通过共聚焦显微物镜16作用于材料上，产生的荧光被显微物镜16收集后由光谱仪17测量信号的强度，进而可以获得荧光寿命。

本发明实施例中精确控制所述一前一后两个光脉冲共线性，当两个光脉冲共线时，通过显微物镜后，聚焦斑才可以完全重合，即作用于材料的同一个点，这样泵浦光脉冲才能对探测光脉冲的效果产生影响，读取的数据才有意义。

其中，光谱仪的优势在于可以测量不同波长的信号强度，对于本装置而言，意味着可以一次读取多个能级的荧光寿命信息。同时，本发明实施例中误差主要由光谱仪CCD（电荷耦合元件）的测量积分时间决定，时间越长，积累的光子数越多，产生的随机误差就越小。

另外，本发明的测量精度由延时精度和脉冲宽度中较大者所决定，现在的电控平移台的移动精度可以达到1微米级别，对于光速也就是10飞秒量级，而成熟的科研用激光器脉冲宽度在100飞秒量级，因此，完全满足高精度的需求。

本发明实施例无需要精密的电子时间分辨设备；对激光器波段要求低，因而适用于不同发光波长的荧光寿命测量；没有干涉和相位匹配需要，对环境稳定性要求低；精度高，误差随着光子数积累增多，可以达到激光脉冲宽度的极限。

实施例二

为了进一步介绍本发明，本发明实施例例举具体的数值对该装置中的元件参数进行介绍；需要说明的是，所例举的元件参数数值仅为便于理解本发明，并非构成限制；在实际应用中，用户可以根据需求或经验采用不同参数的元件。

本发明实施例中激光工作波长为可以为800纳米，脉冲宽度为130飞秒，重复频率为76MHz。输出光束经过单模光纤整形后，变为纯的高斯模式光束，经过显微物镜聚焦后光斑可以接近衍射极限，直径约为1微米。

本发明实施例中，第一光学分束器12的分光比可以为1：1，镀700－1100纳米增透膜，形状为立方体，边长为25.4毫米。第一光学分束器12一透射臂上设置有可连续调节衰减器，衰减强度从0到-10dB；另一透射臂上的第二全反镜15放置在可调平移台18（电动精密平移台）上，该平移台的精度可以达到4微米。

本发明实施例中，第二光学分束器13的透射和反射比可以为4：1，镀700－1100纳米增透膜，形状为立方体，边长为25.4毫米。

本发明实施例中，第一与第二全反镜14-15可以为800纳米零度全反射镜，尺寸为25.4毫米圆形基片。

本发明实施例中，可聚焦的长工作距离显微物镜16可以为50X平场消色差物镜，齐焦距离95毫米，工作距离20.5毫米，焦距长4毫米，数值孔径0.42，景深1.6微米，视场0.48毫米（24目镜），分辨率0.7微米，因而可以用于纳米材料的荧光寿命测量。

本发明实施例的测量系统为一台光栅光谱仪17，由显微物镜16收集的荧光整形成准直光后再次经过第二光学分束器13，其中80%的荧光透过第二光学分束器13，由焦距为100毫米的透镜聚焦，焦点位于光栅光谱仪17的入口狭缝处。

该光栅光谱仪17的结构如图2所示，从狭缝处入射的聚焦光在进入光栅光谱仪后迅速发散，照射在距离狭缝550毫米的一个尺寸为76*76毫米的第一凹面镜171上，该凹面镜的焦距为550毫米，所以发散光经过该凹面镜反射后扩束为直径是原先5.5倍的平行光。

扩束后的平行光照射到闪耀光栅173上，该光栅可线数为600线每毫米,闪耀波长1500纳米。被光栅衍射的光束经过第二凹面镜172聚焦后，照射在InGaAs（铟砷化镓）光电探测器ICCD上。该探测器像素值为512×1，响应波长为900－1600纳米。由此构成的光栅光谱仪的分辨率为0.025纳米。

实施例三

本发明实施例基于实施例一描述的“为了设定两束光脉冲的强度，需要先测量材料的饱和曲线，使泵浦光脉冲和探测光脉冲的功率分率分别在饱和点功率之下和之上，为了测量荧光寿命，需要记录一系列时间延时点下，单独用泵浦光脉冲激发和用两个脉冲共同激发，所产生的荧光强度”为基础进行了试验。

为了选择合适的泵浦和探测光的强度，本发明实施例中，首先测量了半导体量子点系综的荧光饱和曲线，其曲线用如下公式拟合：

S＝S_satP/(P+P_sat)；

其中，S为激光功率为P时的荧光信号强度，S_sat为超饱和时荧光信号强度，P_sat为饱和点的激发功率。

其拟合结果如图3所示，图中实线为拟合曲线，可以得到饱和点的激发光强度为569微瓦特。

由此在本发明实施例中，可以选定泵浦光脉冲强度为300微瓦特，探测光脉冲强度分别为1200、1500、1800、2100、2400微瓦特进行试验；同时，为了验证探测光脉冲强度在饱和点之上与饱和点之下时的测量精度，将300与500微瓦特强度的探测光脉冲也加入试验之中。

由于泵浦光的强度在饱和点之下，光斑覆盖范围内仅有一部分量子点被激发，收集荧光强度可以如下式表达，N₁＝ηN_pump(1-e^-t/τ)。其中η为探测效率，N_pump为泵浦光所激发的量子点个数，N₁为时间为t时收集到的荧光强度，τ为能级寿命。由于探测光脉冲的强度在饱和点之上，所激发的量子点个数即为光斑覆盖范围内的量子点数目N_QD，这样产生的荧光强度N₂可以表示为N₂＝ηN_QD。所以光谱仪在延时为t时所收集到的荧光信号可以计算为N_total＝N₁+N₂＝ηN_pump(1-e^-t/τ)+ηN_QD，归一后可以表示为N＝ηN_pump(1-e^-t/τ)/ηN_QD+1。

图4所示为延时1纳秒，泵浦光脉冲强度为300微瓦特，探测光脉冲强度为1200微瓦特时光谱仪探测结果。其中图4a为挡住探测光，只用泵浦光激发时的荧光光谱，相当于测量N₂。图4b为泵浦和探测光共同作用下的荧光光谱强度，相当于测量N₁+N₂。通过扫描两个光脉冲之间的时间延时，在每个延时点测量N₂和N₁+N₂，用N₂归一化N₁+N₂，就可以拟合得到荧光寿命结果。本发明实施例中，在延时为0至2纳秒时，延时间隔为0.1纳秒；延时为2至5.5纳秒时，延时间隔为0.2纳秒；延时为5.5至7纳秒时，延时间隔为0.5纳秒。可以选取荧光波长为1238纳米时的光谱强度，即量子点系综第一激发态荧光谱的中心位置，来测量荧光寿命。如此设置得到的归一化信号强度如图5所示，图5中，1200，1500，1800，2100与2400微瓦特的归一化信号强度较为相近。

利用上述公式拟合后得到的荧光寿命如图6所示。由图6可以看出，当探测光脉冲强度在饱和点之上时（1200，1500，1800，2100，2400微瓦特），所选取的五个功率值实际测得荧光寿命差别很小。同时，为了验证探测光脉冲强度在饱和点之下时的影响，从本发明实施例中选取的探测光脉冲强度为300和500微瓦特测量结果中，虽然它们的结果和饱和点之上时的情况下相差不多，但是这两个结果之间的差别明显变大。可以预见当探测光强度继续变弱时，会带来较大的误差。因此在实际使用时，为了确保测量结果有较高的精度，通常选取探测光脉冲强度在饱和点之上为优。

为了进一步证实本发明的可靠性，本发明实施例选取了一个荧光寿命较短的能级进行测量，并把测量结果和现有的高精度电学时间分辨方法作比较。高精度电学时间分辨测量所使用的是Ortec公司的Pico-second Time Analyzer，Multi-channel Analyzer。两种方法所测量的荧光衰减曲线如图7所示，左图（a）为用现有的高精度电学时间分辨方法测量结果，右图（b）为使用本发明所述方法测量结果，两种方法的结果差别在5%之内，证明本发明所述方法完全精确可靠。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种高精度荧光寿命测量装置，其特征在于，该装置包括：飞秒级脉冲激光器、第一与第二光学分束器、第一与第二全反镜、显微物镜与光谱仪；

其中，所述飞秒级脉冲激光器发射的激光经由第一光学分束器后分为两路光束，并分别通过第一与第二全反镜反射后，经由所述第一光学分束器合并为一路光束；其中，所述第二全反镜放置于用于精确调节两束光之间时间延时的可调平移台上；

所述一路光束经由第二光学分束器分为两路光束，其中反射光通过显微物镜作用于材料上，产生的荧光被显微物镜收集后由光谱仪测量信号的强度，进而获得荧光寿命；

经由所述第一光学分束器合并为一路的光束中包含一前一后两个光脉冲，其中靠前的光脉冲为泵浦光脉冲，靠后的光脉冲为探测光脉冲，设定光脉冲的强度，使泵浦光脉冲和探测光脉冲的功率分别在饱和点功率之下和之上；

所述飞秒级脉冲激光器的工作波长为800纳米，脉冲宽度为130飞秒，重复频率为76MHz；所述第一光学分束器的分光比为1：1，镀700－1100纳米增透膜，形状为立方体，边长为25.4毫米；第一光学分束器一透射臂上设置有可连续调节衰减器，衰减强度从0到-10dB；所述可调平移台的精度为4微米；所述第二光学分束器的透射和反射比为4：1，镀700－1100纳米增透膜，形状为立方体，边长为25.4毫米；所述第一与第二全反镜为800纳米零度全反射镜，尺寸为25.4毫米圆形基片；所述显微物镜为50X平场消色差物镜，齐焦距离95毫米，工作距离20.5毫米，焦距长4毫米，数值孔径0.42，景深1.6微米，视场毫米，分辨率0.7微米；所述光谱仪为光栅光谱仪，由显微物镜收集的荧光整形成准直光后再次经过第二光学分束器，其中80％的荧光透过第二光学分束器，由焦距为100毫米的透镜聚焦，焦点位于光栅光谱仪的入口狭缝处。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光谱仪包括：第一与第二凹面镜、闪耀光栅与光电探测器ICCD；

其中，射入所述光谱仪中的激光通过第一凹面镜反射至所述闪耀光栅；

经过所述闪耀光栅衍射后的激光再经过所述第二凹面镜反射至所述光电探测器ICCD。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，

所述泵浦光脉冲由所述第一全反镜反射，所述探测光脉冲由所述第二全反镜反射，并经由所述第一光学分束器合并为一路光束。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，由所述光谱仪测量信号的强度包括：

由所述光谱仪分别测量不同延时下泵浦光脉冲单独激发，以及泵浦光脉冲与探测光脉冲共同激发产生的荧光强度。