CN104048948B - 一种基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪，包括：激光光源与光束分束片；样品激发光产生部分，用于激光光源输出基频光的频率变换；样品激发光的聚焦装置以及样品固定的样品池；样品荧光的收集和会聚系统；荧光光参量放大所需泵浦光的产生部分；光参量晶体，用于泵浦光与荧光发生非共线光参量过程；时间分辨荧光光谱数据采集系统；光程延迟系统，用于改变光参量泵浦光与样品激发光的时间延迟；数据采集系统为基于多通道锁相放大器的数据采集系统。本发明能够实现单次测量获得无超荧光背景干扰的时间分辨荧光光谱。

Description

一种基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪

技术领域

本发明属于飞秒时间分辨荧光光谱测量技术领域，具体地说本发明涉及一种基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪。

背景技术

时间分辨荧光光谱技术是光物理、光化学、生物等领域内一种重要技术手段，用于获取体系内的激发态寿命、能量或电子转移，以及结构变化等信息。目前实现飞秒时间分辨荧光光谱测量的方法包括荧光上转换技术、光克尔门技术以及飞秒时间分辨荧光非共线光参量放大光谱技术。相对于前两者，飞秒时间分辨荧光非共线光参量放大光谱技术具有高增益、宽增益带宽、低探测极限的优势。

图1示出了一种典型的基于光参量放大的飞秒时间分辨荧光光谱仪系统。如图1所示，掺钛蓝宝石再生放大器101的基频输出，经过分束片102后分为两束。其中一束光经过样品激发光产生部分103进行频率变换，再经第一聚焦透镜104会聚后激发品105产生待测量的荧光。待测量的荧光经过荧光收集和会聚系统106后会聚至光参量晶体110。另一束光，经过光延迟系统107后，再经倍频晶体108产生基频光的2倍频作为光参量过程的泵浦光。泵浦光作为光脉冲门，经过第二聚焦透镜109后对与其同时到达光参量晶体110的且满足相位匹配条件的荧光光子进行能量放大。通过调节光延迟系统107改变泵浦光到达光参量晶体110的时间延迟，实现对不同时刻辐射的荧光光子进行能量放大，从而得到荧光动力学信息。数据采集系统111是基于光参量放大的飞秒时间分辨荧光光谱仪的重要组成部分。通常情况下可以选择CCD(charge couple device)光谱仪作为基于光参量放大的飞秒时间分辨荧光光谱仪的数据采集系统111。文献：X.F.Han,X.H.Chen,Y.X.Weng and J.Y.Zhang.Ultrasensitive femtosecond time-resolvedfluorescence spectroscopy for relaxation processes by usingparametric amplification,J.Opt.Soc.Am.B,24,1633,2007提到，泵浦光通过光参量过程对待测荧光光子进行能量放大的同时，还对真空量子噪声进行能量放大并形成明亮的超荧光环。因此，在飞秒时间分辨荧光非共线光参量放大光谱技术中能量放大的荧光光子或者称为时间分辨的荧光光子迭加在超荧光背景上，即时间分辨的荧光光子和与其重合的部分超荧光背景两者在时间上和空间上都是不能区分的。超荧光在可见光到近红外波段范围内都有能量分布，且相对于时间分辨荧光光子，超荧光的强度更大，能量波动也非常明显。因此在利用基于光参量放大的飞秒时间分辨荧光光谱仪采集时间分辨荧光光谱信息时，需要考虑超荧光背景的扣除。CCD光谱仪会记录所有入射到CCD上的时间分辨荧光光子、稳态荧光光子以及超荧光光子的强度信息，因此利用CCD光谱仪作为基于光参量放大的飞秒时间分辨荧光光谱仪的数据采集系统时，时间分辨荧光光谱采集需要分三步完成。第一步，测量时间分辨的荧光光子、稳态的荧光光子与超荧光背景三者强度迭加的光谱。第二步，阻挡光参量放大泵浦光，得到稳态荧光光谱。第三步，对样品激发光进行阻挡，得到超荧光背景光谱。利用第一步得到的光谱强度减去第二步、第三步得到光谱强度，从而得到时间分辨的荧光光谱。CCD光谱仪作为基于光参量放大的飞秒时间分辨荧光光谱仪的数据采集系统存在如下两方面的缺陷。第一，上述分步测量获得时间分辨荧光光谱的前提条件是超荧光的光谱形状是稳定的，且超荧光的光谱形状不受荧光光子能量放大的影响。但是相邻光参量泵浦光脉冲间超荧光光谱的形状存在差异，且只有当荧光光子能量放大满足小信号近似时荧光光子的能量放大才不会引起超荧光光谱形状的改变。第二，单独记录的超荧光光谱强度与存在荧光光子能量放大时记录的超荧光光谱强度存在差异。因此，上述分步测量的方法不能准确地扣除超荧光背景对时间分辨荧光光谱的干扰。

综上所述，现有的基于光参量放大的飞秒时间分辨荧光光谱仪的数据采集系统需要进一步改进。

发明内容

本发明的目的在于改进现有基于光参量放大的飞秒时间分辨荧光光谱仪的数据采集系统，实现单次测量获得无超荧光背景干扰的时间分辨荧光光谱。

为了解决上述问题，本发明提供一种基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪，包括：

激光光源与光束分束片；

样品激发光产生部分，用于激光光源输出基频光的频率变换；

样品激发光的聚焦装置以及样品固定的样品池；

样品荧光的收集和会聚系统；

荧光光参量放大所需泵浦光的产生部分；

光参量晶体，用于泵浦光与荧光发生非共线光参量过程；

时间分辨荧光光谱数据采集系统；

光程延迟系统，用于改变光参量泵浦光与样品激发光的时间延迟；

数据采集系统为基于多通道锁相放大器的数据采集系统。

进一步，对荧光强度按周期函数形式调制，而使超荧光处于非调制状态，且所述数据采集系统中的多通道同步锁相放大器采用陷波滤波器以及低通滤波器组合衰减超荧光背景对时间分辨荧光光子强度的干扰。

进一步，荧光强度的调制函数可以是周期性方波、正弦波以及三角波三者中任意一种，调制频率为激光光源的重复频率的1/10-1/3。

进一步，对荧光强度的周期性方波、正弦波、三角波调制可以分别通过斩波器、偏振片、中性密度衰减片实现。

进一步，所述数据采集系统中的多通道锁相放大器的相敏检测功能基于现场可编程门电路技术实现。

相对于现有技术，本发明具有下列技术效果：

1.通过以周期函数形式对样品荧光强度进行调制，而使超荧光处于非调制状态，本发明提供的基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪能够单次测量获得无超荧光干扰的时间分辨荧光光谱。

2.本发明提供的基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪的数据采集系统具有多路信号同步检测的功能，单次测量即可获得时间分辨荧光光谱，而无需通过多条动力学曲线重建获得时间分辨荧光光谱，因此避免了在时间分辨光谱重建中引入因激光能量波动导致的噪声，并减少了实验耗时以及样品光损伤。

3.本发明提供的基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪的数据采集系统对超荧光进行了滤波处理，利用低通滤波器和陷波滤波器组合有效地衰减超荧光强度，提高了基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪测量的动态范围和检测灵敏度，同时数据采集系统使用的多通道同步信号处理方式使数据采集系统结构紧凑。

附图说明

图1为现有基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪的结构示意图。

图2为本发明实施例的基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪结构示意图。

图3为本发明实施例的基于多通道锁相放大器的数据采集系统结构示意图。

图4为本发明实施例的多通道同步锁相放大器结构示意图。

图5为本发明实施例的DCM染料时间分辨荧光光谱。

图6为本发明实施例的超荧光背景抑制效果图。

具体实施方式

下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

实施例一：

本发明提供了如附图2所示的一种基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪，主要包括以下几部分：

1)激光光源201，为掺钛蓝宝石飞秒再生放大系统(中心波长800nm附近，脉冲重复频率1kHz，单脉冲能量大于300uJ,脉冲宽度约100fs)。

2)光分束片202，对于800nm光束的透射反射比为1:1，用于将激光光源1输出的激光分为透射光束和反射光束。

3)样品激发光部分，位于上述透射光束的光路中，包括非共线光参量放大器(NOPA)203、倍频器(SHG)204以及滤光片205，其中非共线光参量放大器(NOPA)203与倍频器(SHG)204在光路中可以互相切换。倍频器204可以提供基频光的2倍频作为样品激发光，非共线光参量放大器(NOPA)203可以提供500nm到近红外区波段的样品激发光，滤光片205用于限制样品激发光的光谱范围，另外样品激发光部分还可以直接选择激光光源201基频光。

4)第一聚焦透镜206，为熔石英材料，直径25.4mm，焦距50mm，用于会聚激发光。

5)样品池207用于固定固体样品或液体样品。

6)荧光收集和会聚系统208，用于对样品受激后产生的荧光进行收集和会聚，荧光收集的方式可以采用前向荧光收集或者背向荧光收集，具体的荧光收集元件可以选择透镜、凹面镜、卡塞格林物镜或者抛物面镜。

7)光延迟系统209，位于上述反射光束的光路中，由精密电动平移台和光反射元件组成，其中光反射元件可以是对基频光具有高反射率的两块反射镜或中空角镜。

8)荧光放大泵浦光产生部分，包括第一β相偏硼酸钡晶体(BBO,相位匹配角29.2°)210，2倍频高反镜211和212。由分束片产生的反射光束经光延迟系统209后，再经过第一β相偏硼酸钡晶体210产生基频光的倍频，光束经过第一β相偏硼酸钡晶体210后包含基频光与倍频光，基频光束经过两块2倍频高反镜211、212后被消除，形成2倍频泵浦光。为了增加倍频效率基频光束可以在第一β相偏硼酸钡晶体210前作缩束处理，同样第一β相偏硼酸钡晶体210也可以由其他具有倍频功能的光学晶体代替。

9)第二聚焦透镜213，用于会聚上述2倍频泵浦光。

10)第二β相偏硼酸钡晶体(BBO)214，用于光参量荧光放大，相位匹配角32°，厚1-2mm。第二聚焦透镜213会聚的2倍频泵浦光与经荧光收集和会聚系统208产生的会聚荧光均入射到第二β相偏硼酸钡晶体214上。调节荧光的入射角度以及其光斑在光参量晶体214上的位置，使荧光、2倍频泵浦光、第二β相偏硼酸钡晶体214三者满足相位匹配关系。通过调整光延迟系统，改变2倍频泵浦光到达第二β相偏硼酸钡晶体214的时间延迟，使2倍频泵浦光与样品受激后不同时刻自发辐射的荧光同时到达第二β相偏硼酸钡晶体214，实现对样品受激后不同时刻辐射的荧光光子的非共线光参量放大，得到时间分辨的荧光光子。第二β相偏硼酸钡晶体214的晶体切割角以及厚度可以根据实验做相应的改变，也可以由其他具有相同功能的光学晶体替代。

11)将时间分辨荧光光子与超荧光混合光导入数据采集系统215，其结构见附图3，同时利用光调制器301对荧光强度按周期函数调制，使超荧光处于非调制状态，通过计算机显示测量得到的时间分辨荧光光谱。

数据采集系统215的工作原理如下。光调制器对荧光强度按周期函数进行调制，并根据此周期函数产生数据采集系统的参考信号并输入给数据采集系统中的多通道同步锁相放大器308。时间分辨的荧光光子与超荧光的混合光302经透镜303会聚后进入单色仪304，单色仪304对时间分辨的荧光光子与超荧光的混合光作分光处理，使不同频率的光子在单色仪出射狭缝处沿水平方向展开，并分别耦合进入光纤阵列305中32根光纤。不同频率的混合光沿着光纤入射到光电探测器阵列306。光电探测器阵列由32支Si光电二极管(中国电子科技集团公司第四十四研究所GT101)以及对应的跨导放大电路(反馈电容270pF，跨导电阻1M欧姆)组成。32支Si光电二极管将不同频率的光子的光强信息转化为电流信号并经跨导放大电路转化为电压信号307输入多通道同步锁相放大器308。多通道同步锁相放大器308内设有1kHz陷波滤波器和低通滤波器组用于衰减混合光子中超荧光的强度，提高数据采集系统的动态范围和测量灵敏度。按照重复频率193Hz对荧光强度进行调制，调制形式可以是方波、三角波、正弦波中任意一种，同时保持超荧光处于非调制状态，多通道同步锁相放大器利用相敏检测技术能够有效滤除超荧光影响，获得无超荧光背景干扰的时间分辨荧光光谱，并通过USB接口或者TCP/IP网络接口将时间分辨荧光谱数据传送给计算机309。用户也可以通过计算机309对基于多通道锁相放大器的数据采集系统发送各种控制指令。多通道同步锁相放大器的低通滤波器的截止频率设置应高与荧光强度调制频率。另外，这里提到的32路信号通道数只是为了对技术方案进行描述，用户可以根据自己实际需要改变信号通路数目。

光调制器301对荧光光强的调制形式可以选择方波、三角波、正弦波三种函数形式中的任一函数形式。以方波函数调制荧光强度时，光调制可以通过斩波器斩荧光或样品激发光实现。以三角波函数调制荧光强度时，光调制可以选择可变中性密度滤光片以样品激发光为中心作平动或转动实现。以正弦波调制荧光强度时，光调制可以选择偏振器以样品激发光为中心作转动实现。

多通道同步锁相放大器308的结构见附图4，信号输入后经过前置放大器401后，对信号进行交流耦合，去除直流偏移。50Hz陷波器402用于滤除由共模干扰等引入的工频干扰。1kHz陷波滤波器403和第一低通滤波器404用于衰减混入时间分辨荧光光子中的超荧光光子。为了提高多通道同步锁相放大器的检测灵敏度，并使其能适应较大的测量范围，多通道同步锁相放大器内设计了增益可调节的主放大器405。模数转换器406将模拟信号转换为数字信号后，由基于现场可编程门电路技术的多通道同步信号处理芯片412采集并处理。经多通道同步信号处理芯片412处理的多通道信号数据经通信电路413发送到计算机，同时，计算机也可以通过通信电路413将控制信息发送给多通道同步信号处理芯片412，实现对积分时间、增益等参数的控制。

多通道同步锁相放大器308的参考信号可以选择方波、正弦波和三角波等输入方式。参考信号经预处理电路407后转换为方波信号，鉴相器408、第二低通滤波器409和压控振荡器410组成的锁相环对方波信号进行相位锁定。锁相环产生的振荡信号被多通道同步信号处理芯片412进行N分频后经时钟同步电路411反馈到锁相环，因此锁相环输出稳定后的振荡信号频率为参考信号频率的N倍。同时，时钟同步电路411产生模数转换器406的采样时钟信号，实现信号采样与参考输入的同步，从而减小了相位噪声。多通道同步信号处理芯片412内部查表产生正弦序列和余弦序列，与采样信号进行互相关运算，实现相敏检波功能，将微弱的时间分辨荧光光子的光谱信息提取出来。

附图5展示应用本发明提供的基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪采集DCM染料乙醇溶液0-1.8ps(箭头增加方向)4个时间点的时间分辨荧光光谱。

附图6展示本发明技术方案对超荧光背景的抑制效果。图中方框线代表实验条件下超荧光光谱强度。图中三角线代表应用本技术方案时超荧光在时间分辨荧光光谱中的强度贡献，为了便于比较，图中信号强度扩大了200倍。从图中可以看出超荧光在时间分辨荧光光谱中贡献的光谱形状已经不明显，说明采用本发明提供的技术方案能够获得无超光背景的时间分辨荧光光谱。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪，包括：

激光光源与光束分束片；

样品激发光产生部分，用于激光光源输出基频光的频率变换；

样品激发光的聚焦装置以及样品固定的样品池；

样品荧光的收集和会聚系统；

荧光光参量放大所需泵浦光的产生部分；

光参量晶体，用于泵浦光与荧光发生非共线光参量放大过程；

时间分辨荧光光谱数据采集系统；

光程延迟系统，用于改变光参量泵浦光与样品激发光的时间延迟；

其特征在于：数据采集系统为基于多通道同步锁相放大器的数据采集系统；

对荧光强度按周期函数形式调制，而使超荧光处于非调制状态，且所述数据采集系统中的多通道同步锁相放大器采用陷波滤波器以及低通滤波器组合衰减超荧光背景对时间分辨荧光光子强度的干扰。

2.根据权利要求1所述的一种基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪，其特征在于：荧光强度的调制函数可以是周期性方波、正弦波以及三角波三者中任意一种，调制频率为激光光源的重复频率的1/10-1/3。

3.根据权利要求2所述的一种基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪，其特征在于：对荧光强度的周期性方波、正弦波、三角波调制可以分别通过斩波器、偏振片、中性密度衰减片实现。

4.根据权利要求3所述的一种基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪，其特征在于：所述数据采集系统中的多通道同步锁相放大器的相敏检测功能基于现场可编程门电路技术实现。

5.根据权利要求4所述的一种基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪，其特征在于：所述多通道同步锁相放大器内的陷波滤波器的中心频率等于所述激光光源的重复频率，所述低通滤波器的截止频率略高于荧光光强的调制频率。