CN105527263A - 用光纤分束的激光诱导荧光光路的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用光纤分束的激光诱导荧光光路的方法及装置，所述装置包括：单波长激光器、光纤分束器、第一镜头、第二镜头、第一反射镜、第一会聚透镜、第二反射镜、第二会聚透镜、被激发物质、准直透镜组、分光元件、成像透镜组、光电传感器；所述方法包括以下步骤：(1)采用单波长激光器对荧光物质进行激发，用光纤进行激光传输；(2)在激光诱导荧光光路装置中设置1/2波片；(3)选择合适的1/2波片位置；(4)波片材料的选择；本发明优点如下：(1)采用光纤分束器对激光进行精确分束；(2)使得激光诱导的荧光和拉曼光的强度整体得到提高；(3)能优化输出光谱各波段的比例。

Description

用光纤分束的激光诱导荧光光路的方法及装置

技术领域

本发明涉及用光纤分束的激光诱导荧光光路的方法及装置,属于光谱分析技术领域。

背景技术

目前，传统的现有激光诱导荧光光路基本上是基于自由光输出，对于多通道荧光激发其基本原理和结构如下，如图1所示：激光器1产生激光光束，经过滤光片2后，经过半反半透镜3后分为上下两束光，下光束经过反射镜4和会聚透镜5会聚到被激发物质，上光束经过反射镜6、反射镜7和会聚透镜8同样会聚到被激发物质9，被激发物质9吸收激光能量后，能级跃迁发出荧光或拉曼光，经过由准直透镜组10、分光元件11、成像透镜组12组成的分光系统分光，不同波长的光谱按照空间位置分离，聚焦成像到光电传感器13上，经光电转化后，获得的一定信噪比的电信号，传输到后端系统进行分析处理。

例如，申请号为CN201410255412.X的专利公开了一种用于靶点焦斑整形和光束匀滑的激光光路，其特征在于，包括，入射激光束，凸透镜，相位板，靶面，相位板由单轴晶体构成，且相位板的前后表面与单轴晶体的光轴平行，且前后表面的其中一面，其上有使用已有技术刻蚀的连续相位板面形；入射激光束进入光路时与凸透镜表面垂直，其偏振方向与单轴晶体光轴夹45度角；相位板位于透镜和靶面之间并靠近透镜一侧，且其上刻蚀有连续相位板面形的一面与靶面相对。本发明在不降低激光驱动器性能的前提下，保留了焦斑整形和偏振匀滑的功能，取代了连续相位板和偏振匀滑晶体板的组合。

例如，申请号为CN201210547469.8的专利公开了一种窄线宽可调谐半导体纵向单端泵浦铷蒸气激光光路系统。由可调谐半导体激光功率放大系统、光束耦合系统和谐振腔系统组成。使用窄线宽可调谐的泵浦光源，将其波长调至铷蒸气吸收线的中心波长，使铷蒸气对泵浦光的单程吸收高达97％。在铷池内充入600Torr的乙烷气体，增加铷原子从泵浦上能级到激光上能级的弛豫速率，保障铷蒸气激光产生的条件。通过在凹面全反镜与控温箱间加入1/4波片，将凹面全反镜与平面输出耦合镜调至同轴，构成稳定的平凹谐振腔。使用可控的温度控制方法，使铷蒸气池窗口的温度高于其中间5度，避免了铷蒸气在窗口的沉积。

例如，申请号为CN201410633684.9的专利公开了一种高精度激光光路指向性在线监测装置，包括激光光束，倾斜设置在激光光束光路上的采光镜片，经采光镜片反射后的采样光束照射到密闭装置外壳内部的分光镜片上，经过分光镜片形成近点分光光束和远点分光光束，所述的近点分光光束照射到近点探测器上，所述的远点分光光束经过平行的角锥棱镜镜架组后照射到远点探测器上，近点探测器和远点探测器分别与单片机相连，并通过USB传输线连接到计算机。

综上所述，采用传统的自由光输出系统存在的缺点如下：

(1)系统中镜片基本处于裸露状态，在实际的应用中镜片落灰比较严重，影响的整体的激发效率；

(2)系统中所使用的激光器大都是多波长的气体激光器，气体激光器的散热量大会导致整体光路的反射镜器件温度较高，容易凝结水汽导致光路效率降低；

(3)系统中的半反半透镜的分光比受到角度的制约，正常调试状态下，角度的变化对分光比影响很大，不能保证到达被激发物质时上下路能量的一致性；

(4)系统中的波片有调节激发强度的作用，但是由于使用气体激光器是多波长的，仅能对一种波长偏振态进行改变，而对另外一中波长改变不大。

在现有技术中，因为镜片裸露造成镜片落灰和水汽，在发现激发效率低下的时候需要清理镜片上灰和水汽，由于仪器处于比较封闭的状态，因此在不拆卸的情况下清理镜片上的灰和水汽是比较困难的，但如果拆卸下来就需要光路进行重新调试，存在时间成本，因此需要尽量减少裸露的镜片，需要尽量减少激光器的发热量。在减少发热量方面采用了用半导体激光器替代气体激光器，在减少裸露镜片方面采用的用光纤输入的方式。现有技术中的半反半透镜制约着上下两路的能量不一致性，采用光纤分束器能够保证能量的一致性。现有技术中波片对于多波长的气体激光器仅能对其中一种波长的偏振态进行改变，采用单波长的半导体激光器，采用相应的波片对偏振态进行调制，前一种偏振态的改变对于整个光谱来说激发强度的提升是不均匀的，而后一种偏振态的改变对于激发强度的提升是线性的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服上述技术问题的用光纤分束的激光诱导荧光光路的方法及装置，本发明主要应用于蛋白质、DNA生物分析和检测领域以及大分子团有机化学的光谱分析仪器设备，本发明采用的偏振状态的调整方法能获得比其他方式更高的激发效率。

本发明的用光纤分束的激光诱导荧光光路的装置包括：单波长激光器、光纤分束器、第一镜头、第二镜头、第一反射镜、第一会聚透镜、第二反射镜、第二会聚透镜、被激发物质、准直透镜组、分光元件、成像透镜组、光电传感器。

所述单波长激光器、光纤分束器连接，所述光纤分束器、第一镜头、第一反射镜、第一会聚透镜、被激发物质、第二会聚透镜、第二反射镜、第二镜头依次连接，所述被激发物质、准直透镜组、分光元件、成像透镜组、光电传感器依次连接。

本发明的用光纤分束的激光诱导荧光光路的装置采用的单波长激光器通过光纤传输，采用光纤分束器进行分光，分光后分别进入第一镜头和第二镜头，然后分别经过第一反射镜、第一会聚透镜和第二反射镜、第二会聚透镜，会聚到被激发物质，被激发物质吸收激光能量后，能级跃迁发出荧光或拉曼光，经过由准直透镜组、分光元件、成像透镜组组成的分光系统分光，不同波长的光谱按照空间位置分离，聚焦成像到光电传感器上，经光电转化后，获得的一定信噪比的电信号，传输到后端系统进行分析处理。所述光纤分束器采用光纤分光棱镜；所述分光元件采用光栅。

本发明的用光纤分束的激光诱导荧光光路的方法包括以下步骤：

(1)采用单波长激光器对荧光物质进行激发，用光纤进行激光传输，并采用光纤分束器对激光进行精确的分束，使得上下两束激光的能量精确地达到1：1，使上下两束激光的光路激发更为均匀。

(2)在激光诱导荧光光路装置中设置1/2波片；1/2波片的作用是对特定波长的线偏振光改变一个角度并对特定波长的椭圆偏振光改变长轴方向；对于多个波长的多模态激光光束则分析该光束中起主要激发作用的光波长。

例如，氩离子激光器包含有458nm，476nm，488nm，497nm，502nm，514.5nm6条主要谱线，其中488nm和514.5nm谱线的能量占据总能量的80％以上，其中488nm能量和514.5nm能量比约为2:1。对只有一种主要的被检测物质的情形，根据其最大吸收光谱特性，起主要作用的光谱能够选择488nm和514.5nm波长中的一种，将其余的光谱作为背景信号用滤光片滤除掉，设计1/2波片指标的波长即为所选用的波长。但是对于多模态的激光光束，使用1/2波片仅能对其中一个波长进行偏振态的调试，而对于单模态的激光光束，使用对应的1/2波片能够精确的控制激光束的偏振态。

(3)选择合适的1/2波片位置；所述1/2波片的放置位置在激光器准直光路之后，如果光路中有分光光路存在，则所述1/2波片放置在分光之后的光路中；由于分光片的偏振特性可能改变多模态激光束的偏振状态，分光后的各个光路状态会略有不同，因此，能够使波片沿垂直光轴方向的旋转一定的角度，使得各个光路的主波长的偏振状态达到指定的状态；这样获得的分光光束能量比例能够达到指定的要求，因为根据分光片的工作原理就决定了按照要求的能量比例进行光束分离，其偏振状态也能够达到指定的要求。

(4)波片材料的选择；波片采用晶体材料制造，材料的选择要考虑耐受激光入射到波片表面的能量密度，不同的晶体的表面耐受光辐射能力是不同的；不同的材料的表面耐受辐射能力能查阅公开资料。

本发明的优点如下：

(1)通过光纤对激光束进行传输，采用光纤分束器对激光进行精确的分束，使得上下两束激光的能量比较精确的达到1：1，使上下两束激光的光路激发更为均匀。

(2)通过调整激光的偏振状态与被激发物质偏振选择性的一致性，使得激光诱导的荧光和拉曼光的强度整体得到提高，使得系统激发效率达到优化状态，传感器获得的信号的信噪比得到明显改善，从而提高了检测系统的检测灵敏度。在同等激光功率下能使得激发的拉曼荧光信号强度提高20％～50％，当原有偏振态匹配性较差的时候能够提升50％～80％以上，这对弱光信号的检测系统而言非常重要。

(3)通过在光路中设置1/2波片的方法能对被激发物质的荧光光谱或拉曼光光谱的不同波段激发效率进行调节，从而优化输出光谱各波段的比例。通过设计相应的单模态激光波长的工作波长的1/2波片从而局部地、相对地提升特定荧光光谱和拉曼光谱的相对强度比例。

附图说明

图1是现有技术的激光诱导荧光装置基本原理和结构示意图；

图2是本发明的用光纤分束的激光诱导荧光光路的装置基本原理和结构示意图；

图3是本发明在典型正交型双光束激光诱导荧光光路装置中应用的实例示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。如图2所示，本发明的用光纤分束的激光诱导荧光光路的装置包括：单波长激光器14、光纤分束器15、第一镜头16、第二镜头17、第一反射镜18、第一会聚透镜20、第二反射镜19、第二会聚透镜21、被激发物质22、准直透镜组23、分光元件24、成像透镜组25、光电传感器26。

所述单波长激光器14、光纤分束器15连接，所述光纤分束器15、第一镜头16、第一反射镜18、第一会聚透镜20、被激发物质22、第二会聚透镜21、第二反射镜19、第二镜头17依次连接，所述被激发物质22、准直透镜组23、分光元件24、成像透镜组25、光电传感器26依次连接。本发明的用光纤分束的激光诱导荧光光路的装置采用的单波长激光器14通过光纤传输，采用光纤分束器15进行分光，分光后分别进入第一镜头16和第二镜头17，然后分别经过第一反射镜18、第一会聚透镜20和第二反射镜19、第二会聚透镜21，会聚到被激发物质22，被激发物质22吸收激光能量后，能级跃迁发出荧光或拉曼光，经过由准直透镜组23、分光元件24、成像透镜组25组成的分光系统分光，不同波长的光谱按照空间位置分离，聚焦成像到光电传感器26上，经光电转化后，获得的一定信噪比的电信号，传输到后端系统进行分析处理。所述光纤分束器15采用光纤分光棱镜；所述分光元件24采用光栅。

本发明的用光纤分束的激光诱导荧光光路的方法包括以下步骤：

(1)采用单波长激光器对荧光物质进行激发，用光纤进行激光传输，并采用光纤分束器对激光进行精确的分束，使得上下两束激光的能量精确地达到1：1，使上下两束激光的光路激发更为均匀。

(2)在激光诱导荧光光路装置中设置1/2波片；1/2波片的作用是对特定波长的线偏振光改变一个角度并对特定波长的椭圆偏振光改变长轴方向；对于多个波长的多模态激光光束则分析该光束中起主要激发作用的光波长。

例如，氩离子激光器包含有458nm，476nm，488nm，497nm，502nm，514.5nm6条主要谱线，其中488nm和514.5nm谱线的能量占据总能量的80％以上，其中488nm能量和514.5nm能量比约为2:1。对只有一种主要的被检测物质的情形，根据其最大吸收光谱特性，起主要作用的光谱能够选择488nm和514.5nm波长中的一种，将其余的光谱作为背景信号用滤光片滤除掉，设计1/2波片指标的波长即为所选用的波长。但是对于多模态的激光光束，使用1/2波片仅能对其中一个波长进行偏振态的调试，而对于单模态的激光光束，使用对应的1/2波片能够精确的控制激光束的偏振态。

(3)选择合适的1/2波片位置；所述1/2波片的放置位置在激光器准直光路之后，如果光路中有分光光路存在，则所述1/2波片放置在分光之后的光路中；由于分光片的偏振特性可能改变多模态激光束的偏振状态，分光后的各个光路状态会略有不同，因此，能够使波片沿垂直光轴方向的旋转一定的角度，使得各个光路的主波长的偏振状态达到指定的状态；这样获得的分光光束能量比例能够达到指定的要求，因为根据分光片的工作原理就决定了按照要求的能量比例进行光束分离，其偏振状态也能够达到指定的要求。

(4)波片材料的选择；波片采用晶体材料制造，材料的选择要考虑耐受激光入射到波片表面的能量密度，不同的晶体的表面耐受光辐射能力是不同的；不同的材料的表面耐受辐射能力能查阅公开资料。

如图3所示是本发明的方法在典型正交型双光束激光诱导荧光光路装置中应用的实例。如图3所示的典型正交型双光束激光诱导荧光光路装置包括：激光器27经过光纤分束器28后经由准直镜头29、准直镜头30准直后分别出射，然后分别经过偏振分光片31、偏振分光片32，分别经由反射镜33、反射镜34改变光路方向，经过焦距和相对口径相同的会聚透镜35、会聚透镜36，进入被激发物质37，被激发物质37吸收部分激光能量后发出荧光或拉曼光，经过包含准直透镜组38、分光元件即光栅39、成像透镜组40的分光系统，聚焦成像到光电传感器41上，从而获得一定信噪比的电信号传输到信号处理装置42中进行分析处理。所述激光器27为单模态激光器。装载被激发物质的容器37是透明材质的石英或有机玻璃，对材质的要求是能对被激发出来的有效荧光信号或拉曼光信号的光谱能够较好地透过。光电传感器41是弱光信号传感器，通常采用光电倍增管、CCD或者光电二极管。被激发物质37为DNA、蛋白质、大分子有机化学物质或者均匀悬浮在液体中的待检测物质。本实施例中，采用相向入射双光路的目的是使得两端的激发效果均匀一致。由于被激发物质37在光轴方向的长度较大，单光路的光能量在穿透物质时，能量逐渐降低，对另外一段的激发效果会显著下降，因此，采用相向双光路同时激发以获得充分的激发效果。同时，已知被检测系统具有偏振选择性，即装在被检测物质的容器或被检测物质具有一定的偏振选择性。被检测物质有2种拉曼光标记染料，分别为日本TaKaRa公司的6-FAM，最大吸收波长494nm，最大发射波长518nm；HEX，最大吸收波长533nm，最大发射波长559nm。

激光器为505nm半导体激光器。激光器功率50mW，光束直径1mm。

本发明的方法在光路装置中放置2个相同的1/2波片，如图3中的偏振分光片31、偏振分光片32的位置所示，在图3中的偏振分光片31、偏振分光片32的位置放置2个相同的1/2波片有以下两个原因：

(1)相对于被激发物质两端的光路元器件数量及光学性能参数完全一致，波片放置该位置状态完全一样，位置具有空间可交换性。

(2)该位置的光程较长，适宜于结构上设置波片结构件，给波片的调试能够留下空间。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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公开的范围内，能够轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.用光纤分束的激光诱导荧光光路的装置，其特征在于，包括：单波长激光器、光纤分束器、第一镜头、第二镜头、第一反射镜、第一会聚透镜、第二反射镜、第二会聚透镜、被激发物质、准直透镜组、分光元件、成像透镜组、光电传感器；

所述单波长激光器、光纤分束器连接，所述光纤分束器、第一镜头、第一反射镜、第一会聚透镜、被激发物质、第二会聚透镜、第二反射镜、第二镜头依次连接，所述被激发物质、准直透镜组、分光元件、成像透镜组、光电传感器依次连接。

2.根据权利要求1所述的用光纤分束的激光诱导荧光光路的装置，其特征在于，所述光纤分束器采用光纤分光棱镜。

3.根据权利要求1所述的用光纤分束的激光诱导荧光光路的装置，其特征在于，所述分光元件采用光栅。

4.用光纤分束的激光诱导荧光光路的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用单波长激光器对荧光物质进行激发，用光纤进行激光传输，并采用光纤分束器对激光进行精确的分束，使得上下两束激光的能量精确地达到1：1，使上下两束激光的光路激发更为均匀；

(2)在激光诱导荧光光路装置中设置1/2波片；

(3)选择合适的1/2波片位置；所述1/2波片的放置位置在激光器准直光路之后，如果光路中有分光光路存在，则所述1/2波片放置在分光之后的光路中；

(4)波片材料的选择。

5.根据权利要求4所述的用光纤分束的激光诱导荧光光路的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述1/2波片的作用是对特定波长的线偏振光改变一个角度并对特定波长的椭圆偏振光改变长轴方向；对于多个波长的多模态激光光束则分析该光束中起主要激发作用的光波长。

6.根据权利要求4所述的用光纤分束的激光诱导荧光光路的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，由于分光片的偏振特性可能改变多模态激光束的偏振状态，分光后的各个光路状态会略有不同，因此，能够使波片沿垂直光轴方向的旋转一定的角度，使得各个光路的主波长的偏振状态达到指定的状态；这样获得的分光光束能量比例能够达到指定的要求，因为根据分光片的工作原理就决定了按照要求的能量比例进行光束分离，其偏振状态也能够达到指定的要求。

7.根据权利要求4所述的用光纤分束的激光诱导荧光光路的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，波片采用晶体材料制造，材料的选择要考虑耐受激光入射到波片表面的能量密度，不同的晶体的表面耐受光辐射能力是不同的；不同的材料的表面耐受辐射能力能查阅公开资料。