CN104458691A - 一种光热-荧光双模态光谱检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光热-荧光双模态光谱检测装置，包括用于设置被测样品的样品台，还包括分别与被测样品光路连接的泵浦光源、探测光源、第一光电探测器、第二光电探测器和光电倍增管；所述第一光电探测器用于接收从被测样品透射的探测光热信号，所述第二光电探测器用于接收从被测样品反射的探测光热信号，所述光电倍增管用于通过发射单色器接收从被测样品透射的荧光信号；所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端通过锁相放大器与计算机的输入端连接，所述光电倍增管的输出端与计算机的输入端连接。本发明还提供一种光热-荧光双模态光谱检测装置的检测方法。本发明检测灵敏度高，消除了散射对测量结果的影响，测量结果更加可靠。

Description

一种光热-荧光双模态光谱检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及光谱检测技术领域，具体是一种光热-荧光双模态光谱检测装置及其检测方法。

背景技术

光热检测技术是近年来发展起来的测量光学材料微弱吸收的一种新手段，它具有灵敏度高、调节方便、非接触式等优点。目前，光热检测技术广泛应用于光学材料如薄膜样品或晶体材料的吸收检测中，它集计算机技术、激光技术、材料学于一体，同时分选待检测样品的缺陷，该技术是一种对光学材料如薄膜样品或晶体材料的性能进行定量分析和分选的检测手段。目前，光热检测技术常用的是热透镜法，其将泵浦激光（激发光）会聚到光学材料表面，以获得一定的功率密度，使光学材料在不损伤的前提下产生相应的光热形变，同时，利用一束具有一定功率强度的探测激光辐射光学材料表面的形变区域，到达光学材料表面的探测激光光斑大小与形变区域成一定的比例，从而达到对光学材料的性能进行定量分析和分选的目的。在光热检测技术的基础上，通过对不同激发波长下所产生的光热效应进行检测，就可以获得光学材料的光热吸收光谱，即实现光热光谱检测技术。

荧光光谱检测技术是指使激发光的波长和强度保持不变，而让荧光物质产生的荧光通过发射单色器照射于检测器上，即可获得样品在特定荧光波长的荧光强度；调节发射单色器至各种不同波长处，由检测器测出相应的荧光强度，就可以得到样品的荧光光谱。

以往的技术只是单一的光热检测技术、光热光谱检测技术、荧光检测技术和荧光光谱检测技术，检测灵敏度低，测量结果受散射影响大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结合光热吸收光谱技术和荧光光谱技术对光学材料的缺陷、光热吸收光谱和荧光光谱进行分析的光热-荧光双模态光谱检测装置及其检测方法，利用激光在光学材料中激发产生光热效应，通过对不同激发波长下所产生的光热效应进行检测，来获得光学材料的光热吸收光谱，从而实现对光学材料的光热检测鉴别；同时通过对同一激发峰值波长下所产生的荧光信号进行检测，来获得荧光光学材料的荧光光谱，从而实现对光学材料的荧光检测鉴别。

本发明的技术原理为：

激发光照射物质时，光子打到分子上，原来处于基态的电子吸收光能量被激发到较高的能级，从而使分子处在激发态。此后，激发态的分子通过辐射跃迁和非辐射跃迁两种形式把部分能量转移给周围分子，使处于较高激发态的电子很快回到基态；辐射跃迁产生荧光，非辐射跃迁使样品产生热膨胀。光热检测技术是指另一束光经过热膨胀的区域产生光热信号，荧光检测技术直接检测产生的荧光并转换为相应的荧光信号，两种形式的信号是互补关系，二者的结合更能把材料特性分析清楚。通过对不同激发波长下所产生的光热效应进行检测，就可以获得光学材料的光热吸收光谱，即实现光热光谱检测技术；让荧光物质产生的荧光通过发射单色器照射于检测器上，调节发射单色器至各种不同波长处，由检测器测出相应的荧光强度，就可以得到样品的荧光光谱，即实现荧光光谱检测技术。因此，本发明利用激发态分子跃迁理论，将光热光谱检测技术与荧光光谱检测技术相结合，利用不同波长的激发光源激发样品使其发生形变和产生荧光，并同时检测样品由于形变产生的光热信号和激发产生的荧光信号，就可实现光热-荧光双模态的光谱检测技术。光热光谱检测技术与荧光光谱检测技术的结合能够有效地弥补单一模式光谱检测方法的不足，实现双模态、多参数、互补的光谱检测新技术。

本发明的技术方案为：

一种光热-荧光双模态光谱检测装置，包括用于设置被测样品的样品台，还包括分别与被测样品光路连接的泵浦光源、探测光源、第一光电探测器、第二光电探测器和光电倍增管；所述第一光电探测器用于接收从被测样品透射的探测光热信号，所述第二光电探测器用于接收从被测样品反射的探测光热信号，所述光电倍增管用于通过发射单色器接收从被测样品透射的荧光信号；所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端通过锁相放大器与计算机的输入端连接，所述光电倍增管的输出端与计算机的输入端连接。

所述的光热-荧光双模态光谱检测装置，所述泵浦光源与被测样品之间依次设有泵浦光调制装置、泵浦光分光装置和泵浦光会聚装置，所述泵浦光调制装置设置在泵浦光分光装置的入射光路上，所述泵浦光会聚装置设置泵浦光分光装置的透射光路上，所述泵浦光分光装置的反射光路上依次设有泵浦光滤波装置和光电二极管，所述光电二极管的输出端与计算机的输入端连接。

所述的光热-荧光双模态光谱检测装置，所述探测光源与被测样品之间依次设有探测光整形处理装置、探测光角度调整装置和探测光会聚装置。

所述的光热-荧光双模态光谱检测装置，所述被测样品与第一光电探测器之间依次设有第一光热信号会聚装置、第一帯通滤光装置和第一光热信号探测小孔；所述被测样品与第二光电探测器之间依次设有第二光热信号会聚装置、第二帯通滤光装置和第二光热信号探测小孔。

所述的光热-荧光双模态光谱检测装置，所述被测样品与发射单色器之间依次设有分光装置和荧光信号会聚装置，所述发射单色器与光电倍增管之间设有荧光信号探测小孔；所述被测样品设置在分光装置的入射光路上，所述荧光信号会聚装置设置在分光装置的透射光路上，所述分光装置的反射光路上设有泵浦光吸收装置，所述分光装置的入射光路与泵浦光源的输出光路重合。

所述的光热-荧光双模态光谱检测装置，所述泵浦光源、探测光源、第一光电探测器、第二光电探测器、发射单色器和光电倍增管均设置在暗箱中。

所述的一种光热-荧光双模态光谱检测装置的检测方法，包括以下步骤：

（1）泵浦光源输出的泵浦光经过调制、聚焦后照射到被测样品上，被测样品在泵浦光的激发下发生光热形变同时产生荧光信号；

（2）探测光源输出的探测光聚焦后照射到被测样品的形变区域，使被测样品产生探测光热信号；

（3）从被测样品透射和反射的探测光热信号分别照射到两个光电探测器，两个光电探测器将接收的探测光热信号转换成电信号，经锁相放大处理后输入计算机进行分析，得到被测样品对泵浦光的吸收特性；

（4）从被测样品透射的荧光信号经由发射单色器筛选后照射到光电倍增管，光电倍增管将接收的特定荧光波长的荧光信号转换成电信号并输入计算机进行分析，得到被测样品在特定荧光波长的荧光强度；

（5）改变泵浦光的波长，重复上述步骤（1）～（3），得到被测样品对不同波长泵浦光的吸收特性，获得被测样品的光热吸收光谱；

（6）调节发射单色器至不同荧光波长处，重复上述步骤（4），得到被测样品在不同荧光波长的荧光强度，获得被测样品的荧光光谱。

由上述技术方案可知，本发明利用能级跃迁理论结合了光热吸收光谱技术和荧光光谱技术，两种光谱结合测量结果更加可靠。此外，使用单一波长的泵浦激光作为同一激发光源，同时激发光学材料使该物质发生形变和产生荧光，通过三条通路分别同时采集被测样品透射的光热信号、反射的光热信号和透射的荧光信号，实现了光热信号和荧光信号的实时检测，可以获取光学材料的光热吸收和荧光的信息。

本发明的有益效果为：

（1）本发明将光热光谱检测方法和荧光光谱检测方法结合在一起，在同一激发光源的激励下同时产生光热效应和荧光，以两种模式同时对被测样品特性进行分析，与其它单一光谱分析方法相比，本发明将光热光谱检测方法和荧光光谱检测方法结合在一起，消除了散射对测量结果的影响，测量结果更加可靠；此外，本发明对光吸收率的检测灵敏度极高，对光学材料的微小缺陷也能够实现检测。

（2）本发明利用光热信号和荧光信号可以提供互补信息，如对于有荧光的物质可以利用其光热信号和荧光信号同时进行分析，弥补现有单一模式的光热检测的问题，可应用于薄膜样品或者晶体材料等光学样品的缺陷、光热吸收光谱和荧光光谱的定量分析和监测。

附图说明

图1是本发明装置具体实施例的结构示意图；

其中，0-样品台、11-泵浦光源、12-泵浦光调制装置、13-泵浦光会聚装置、21-探测光源、22-探测光整形处理装置、23-探测光角度调整装置、24-探测光会聚装置、31-第一光热信号会聚装置、32-第一帯通滤光装置、33-第一光热信号探测小孔、34-第一光电探测器、41-第二光热信号会聚装置、42-第二帯通滤光装置、43-第二光热信号探测小孔、44-第二光电探测器、51-分光装置、52-荧光信号会聚装置、53-发射单色器、54-荧光信号探测小孔、55-光电倍增管、56-泵浦光吸收装置、61-泵浦光分光装置、62-泵浦光滤波装置、63-光电二极管、7-锁相放大器、8-计算机。

具体实施方式

    下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，一种光热-荧光双模态光谱检测装置，包括样品台0、光学激发系统、光学探测系统、第一光热信号接收系统、第二光热信号接收系统、荧光信号接收系统、能量监控系统和计算机8。

光学激发系统包括泵浦光源11、泵浦光调制装置12和泵浦光会聚装置13，泵浦光源11的作用在于使被测样品发生形变和激发被测样品的荧光信号；泵浦光调制装置12和泵浦光会聚装置13依次设置在泵浦光源11与被测样品之间的光路上；泵浦光源11与计算机8电气连接；泵浦光调制装置12可采用斩波器；泵浦光会聚装置13可采用聚焦透镜；光学激发系统器件全部设置在暗箱中，其中，泵浦光调制装置12和泵浦光会聚装置13均可沿着暗箱轨道移动，对泵浦光源11输出的泵浦光进行光学整形。

光学探测系统包括探测光源21、探测光整形处理装置22、探测光角度调整装置23和探测光会聚装置24，探测光源21优选为连续光源，其作用在于使发生形变的被测样品产生光热信号；探测光整形处理装置22、探测光角度调整装置23和探测光会聚装置24依次设置在探测光源21与被测样品之间的光路上；探测光源21与计算机8电气连接；探测光整形处理装置22可采用扩束镜；探测光角度调整装置23可采用高反片；探测光会聚装置24可采用聚焦透镜；光学探测系统的器件全部设置在暗箱中，其中，探测光整形处理装置22、探测光角度调整装置23和探测光会聚装置24均可沿着暗箱轨道移动，对探测光源21输出的探测光进行光学整形。

第一光热信号接收系统包括第一光热信号会聚装置31、第一帯通滤光装置32、第一光热信号探测小孔33和第一光电探测器34；第一光热信号会聚装置31、第一帯通滤光装置32和第一光热信号探测小孔33依次设置在被测样品与第一光电探测器34之间的光路上；第一光电探测器34的输出端通过锁相放大器7与计算机8的输入端连接；第一光热信号会聚装置31可采用聚焦透镜；第一帯通滤光装置32可采用帯通滤光片；第一光热信号接收系统的器件全部设置在暗箱中，并且均可沿着暗箱轨道移动，对接收的透射光热信号进行调节。

第二光热信号接收系统包括第二光热信号会聚装置41、第二帯通滤光装置42、第二光热信号探测小孔43和第二光电探测器44；第二光热信号会聚装置41、第二帯通滤光装置42和第二光热信号探测小孔43依次设置在被测样品与第二光电探测器44之间的光路上；第二光电探测器44的输出端通过锁相放大器7与计算机8的输入端连接；第二光热信号会聚装置41可采用聚焦透镜；第二帯通滤光装置42可采用帯通滤光片；第二光热信号接收系统的器件全部设置在暗箱中，并且均可沿着暗箱轨道移动，对接收的反射光热信号进行调节。

荧光信号接收系统包括分光装置51、荧光信号会聚装置52、发射单色器53、荧光信号探测小孔54、光电倍增管55和泵浦光吸收装置56；分光装置51、荧光信号会聚装置52、发射单色器53和荧光信号探测小孔54依次设置在被测样品与光电倍增管55之间的光路上；光电倍增管55的输出端与计算机8的输入端连接；泵浦光吸收装置56设置在分光装置51的反射光路上；分光装置51可采用高反片；荧光信号会聚装置52可采用聚焦透镜；荧光信号接收系统的器件全部设置在暗箱中，并且均可沿着暗箱轨道移动，对接收的透射荧光信号进行调节。

能量监控系统包括泵浦光分光装置61、泵浦光滤波装置62和光电二极管63；泵浦光分光装置61设置在泵浦光调制装置12与泵浦光会聚装置13之间的光路上；泵浦光滤波装置62和光电二极管63依次设置在泵浦光分光装置61的反射光路上；光电二极管63的输出端与计算机8的输入端连接；泵浦光分光装置61可采用分光片；泵浦光滤波装置62可采用中性密度滤波片。

一种光热-荧光双模态光谱检测装置的检测方法，包括以下步骤：

（1）将被测样品固定放置在样品台中央，将光电探测器置于光热信号接收光路中，将光电倍增管置于荧光出光口处；

（2）泵浦光源输出泵浦光，依次经过调制、聚焦后，形成一个聚焦光斑照射在被测样品上；

（3）被测样品在泵浦光的激发下发生光热形变同时产生荧光信号；

（4）探测光源输出的探测光经过扩束、反射、聚焦后照射到被测样品上的形变区域，泵浦光与探测光在被测样品表面重合；被测样品产生的透射光热信号和反射光热信号各自被光电探测器接收；

（5）被测样品产生的荧光信号经单色器筛选后被光电倍增管接收，荧光信号的接收方式采用对向接收模式，也即光电倍增管接收的是泵浦光源输出光路上的荧光；

（6）光热信号和荧光信号的强度和时间波形分别同时被计算机采集，储存到计算机中进行后续处理可以得到被测样品的缺陷点；

（7）待采集完成后，通过计算机的信号分析处理，分别得到被测样品的光热图像和荧光图像，由信号值和图像可以看出被测样品是否存在缺陷；

（8）改变泵浦光的波长，重复上述步骤（1）～（6），得到被测样品对不同波长泵浦光的吸收特性，获得被测样品的光热吸收光谱；

（9）被测样品产生的荧光信号通过发射单色器照射于光电倍增管上，调节发射单色器至各种不同荧光波长处，由光电倍增管测出各荧光波长对应的荧光强度，进而得到被测样品的荧光光谱。

本发明的工作原理：

一束较强的泵浦激光经过调制后照射到被测样品上，被测样品由于吸收泵浦光能量而导致局部温度升高，从而引起被测样品的局部物理特性发生改变，这种现象称为光热效应。光热效应与被测样品的光吸收率的大小是相关的，吸收越大，光热效应也就越显著。

再将一束较弱的探测光经过被测样品中泵浦光的照射区域，由于泵浦光在该区域激发产生的光热效应，经过该区域的探测光束的传播特性会发生变化。探测光束传播特性的变化可以通过设置在从被测样品出射的探测光路上的光电探测器来检测。同时，被测样品吸收泵浦光之后，也有部分能量以辐射跃迁的形式释放，产生荧光。荧光强度的变化可以通过荧光通道的光电倍增管来检测。

这样在被测样品上就同时产生两种信号模式，并实现同时检测，利用光热信号和荧光信号的互补性实现高效率的检测。改变泵浦光的波长，可以得到被测样品对不同波长泵浦光的吸收特性，获得被测样品的光热吸收光谱；激发出的荧光通过发射单色器照射于光电倍增管上，调节发射单色器至各种不同荧光波长处，测出各波长对应的荧光强度，进而得到被测样品的荧光光谱。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种光热-荧光双模态光谱检测装置，包括用于设置被测样品的样品台，其特征在于：还包括分别与被测样品光路连接的泵浦光源、探测光源、第一光电探测器、第二光电探测器和光电倍增管；所述第一光电探测器用于接收从被测样品透射的探测光热信号，所述第二光电探测器用于接收从被测样品反射的探测光热信号，所述光电倍增管用于通过发射单色器接收从被测样品透射的荧光信号；所述第一光电探测器和第二光电探测器的输出端通过锁相放大器与计算机的输入端连接，所述光电倍增管的输出端与计算机的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的光热-荧光双模态光谱检测装置，其特征在于：所述泵浦光源与被测样品之间依次设有泵浦光调制装置、泵浦光分光装置和泵浦光会聚装置，所述泵浦光调制装置设置在泵浦光分光装置的入射光路上，所述泵浦光会聚装置设置泵浦光分光装置的透射光路上，所述泵浦光分光装置的反射光路上依次设有泵浦光滤波装置和光电二极管，所述光电二极管的输出端与计算机的输入端连接。

3.根据权利要求1所述的光热-荧光双模态光谱检测装置，其特征在于：所述探测光源与被测样品之间依次设有探测光整形处理装置、探测光角度调整装置和探测光会聚装置。

4.根据权利要求1所述的光热-荧光双模态光谱检测装置，其特征在于：所述被测样品与第一光电探测器之间依次设有第一光热信号会聚装置、第一帯通滤光装置和第一光热信号探测小孔；所述被测样品与第二光电探测器之间依次设有第二光热信号会聚装置、第二帯通滤光装置和第二光热信号探测小孔。

5.根据权利要求1所述的光热-荧光双模态光谱检测装置，其特征在于：所述被测样品与发射单色器之间依次设有分光装置和荧光信号会聚装置，所述发射单色器与光电倍增管之间设有荧光信号探测小孔；所述被测样品设置在分光装置的入射光路上，所述荧光信号会聚装置设置在分光装置的透射光路上，所述分光装置的反射光路上设有泵浦光吸收装置，所述分光装置的入射光路与泵浦光源的输出光路重合。

6.根据权利要求1所述的光热-荧光双模态光谱检测装置，其特征在于：所述泵浦光源、探测光源、第一光电探测器、第二光电探测器、发射单色器和光电倍增管均设置在暗箱中。

7.根据权利要求1所述的一种光热-荧光双模态光谱检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）泵浦光源输出的泵浦光经过调制、聚焦后照射到被测样品上，被测样品在泵浦光的激发下发生光热形变同时产生荧光信号；

（2）探测光源输出的探测光聚焦后照射到被测样品的形变区域，使被测样品产生探测光热信号；

（3）从被测样品透射和反射的探测光热信号分别照射到两个光电探测器，两个光电探测器将接收的探测光热信号转换成电信号，经锁相放大处理后输入计算机进行分析，得到被测样品对泵浦光的吸收特性；

（4）从被测样品透射的荧光信号经由发射单色器筛选后照射到光电倍增管，光电倍增管将接收的特定荧光波长的荧光信号转换成电信号并输入计算机进行分析，得到被测样品在特定荧光波长的荧光强度；

（5）改变泵浦光的波长，重复上述步骤（1）～（3），得到被测样品对不同波长泵浦光的吸收特性，获得被测样品的光热吸收光谱；

（6）调节发射单色器至不同荧光波长处，重复上述步骤（4），得到被测样品在不同荧光波长的荧光强度，获得被测样品的荧光光谱。