CN105588826A - 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

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 Download PDF

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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，涉及光谱测量技术领域。该光谱仪通过分束片将激光源的输出激光分为两束，一束激光入射至样品荧光产生与收集系统用于产生激发样品荧光的激发光，另一束激光入射至泵浦激光产生系统用于产生放大荧光的泵浦光；再在光参量放大光路中进行荧光放大，再经光谱仪的出光口将放大后的荧光送至与其相连的数据采集系统进行时间分辨荧光检测，其中所述数据采集系统为多通道光电二极管阵列接口锁相放大数据采集系统。本发明所提供的光谱仪光路调整简单，探测灵敏度高，测量结果更为准确，且光谱不易失真。

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
本发明涉及光谱测量技术领域，特别是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
飞秒时间分辨荧光光谱技术是现代光物理、光化学以及生物体系光能吸收存储等科研领域的重要研究方法。不同于飞秒时间分辨瞬态吸收系统，时间分辨荧光直接反应了激发态的能量转移、电子转移等超快过程。目前常见的时间分辨荧光探测手段包括条纹相机技术、光克尔门技术、荧光上转换技术以及光参量荧光放大技术。在这些方法之中，光参量荧光放大技术具有时间分辨率高、同时刻放大的光谱范围宽、探测灵敏度高等优点。
光参量荧光放大技术中，由于参量放大过程中量子噪声与种子荧光同时被放大且在时间与空间上均不可分离，且量子噪声的强度为随机涨落，脉冲之间差异很大，这两点导致时间分辨光参量荧光放大技术的背景噪声无法直接扣除、信噪比不高，尤其是在弱信号探测方面一直受到限制。
针对以上的问题，发明人曾经利用单个光电二极管配合锁相放大器抑制背景噪声得到单一波长的高信噪比信号。这一方法被记载在申请日为2014年5月28日、申请号为201410229765.2、名称为《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》的专利文件中，为了能在荧光探测过程中实现对整个光谱范围的噪声抑制,发明人设计了光纤阵列接口配合32个独立二极管的多通道锁相放大器进行数据采集，但该方法有以下几点局限性：
1、光纤尺寸有限(单根光纤直径：400微米)，使得光路调整较为麻烦，所要探测的信号在进入光谱仪前必须精准调整到特定的高度，光斑必须恰好聚焦到入射狭缝才可能得到较强的信号；
2、由于色差的存在，红区与蓝区的光无法同时在光谱仪后焦面聚为焦点，导致光纤耦合效率的差异，最终产生光谱形状失真；
3、光纤的传输损耗掉了部分能量，降低了探测的灵敏度；
4、光纤的透光范围限制了仪器的使用光谱区间，难以将仪器扩展到紫外与红外波段使用；
5、单独的二极管由于制造过程中个体差异的存在，对光强的响应略有不同。
因此，需要开发出一种新的光谱仪以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的一个目的是要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，其光路调整简单，探测灵敏度高，测量结果更为准确，且光谱不易失真。
特别地，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：
激光源；
样品荧光产生与收集系统；
泵浦激光产生系统；
光谱仪；
数据采集系统，所述数据采集系统为多通道光电二极管阵列接口锁相放大数据采集系统；
分束片，用于将所述激光源的输出激光分为两束，一束激光入射至所述样品荧光产生与收集系统用于产生激发样品荧光的激发光，另一束激光入射至所述泵浦激光产生系统用于产生放大荧光的泵浦光；和
光参量放大光路，具有两个输入端和一个输出端，所述两个输入端分别与所述样品荧光产生与收集系统和所述泵浦激光产生系统的出光端相连，所述输出端接入光谱仪的入光口，所述光谱仪的出光口和所述数据采集系统相连。
进一步地，所述多通道光电二极管阵列接口锁相放大数据采集系统包括光电二极管阵列与多通道锁相放大器，所述光谱仪的出光口入射至所述光电二极管阵列，所述光电二极管阵列的输出口再接入所述多通道锁相放大器进行运算处理。
进一步地，所述光电二极管阵列包括至少32个相同的面元，所述光电二极管阵列一次成型。
进一步地，所述光电二极管阵列中的所述每个面元的长度为4至5mm，宽度为0.8至1mm，所述至少32个面元中每个面元之间的间距为0.05至0.15mm。
进一步地，所述光电二极管阵列具有46个面元，所述每个面元的长度为4.4mm，宽度为0.9mm，所述46个面元中每个面元之间的间距为0.1mm。
进一步地，所述多通道锁相放大器为基于FPGA实现的多通道同步数字锁相，所述多通道锁相放大器包括多块FPGA芯片，在所述每块FPGA芯片前分别设有前置放大滤波器与模数转换单元，所述光电二极管阵列的输出信号经所述前置放大滤波器与所述模数转换单元后进入所述每块FPGA芯片；
优选地，所述模数转换单元前端还设有低通滤波器和抗混叠滤波器，所述光电二极管阵列的输出信号依次经所述前置放大滤波器、所述低通滤波器、所述抗混叠滤波器与所述模数转换单元后进入所述每块FPGA芯片。
进一步地，所述激光源发出激光经所述分束片分为所述两束输出激光即透射激光与反射激光，其中：
所述透射激光用于产生激发光，所述激发光入射至所述样品荧光发生与收集系统，产生与待测样品相对应的荧光并收集；
所述反射激光入射至所述泵浦激光产生系统，用于倍频产生泵浦光，所述泵浦光入射至所述光参量放大光路，用于放大所述样品荧光发生与收集系统中所收集到的所述荧光。
进一步地，所述样品荧光产生与收集系统包括倍频晶体与样品池，所述透射激光入射至所述倍频晶体产生倍频的所述激发光；
优选地，所述倍频晶体为β相偏硼酸钡晶体。
进一步地，所述样品荧光产生与收集系统包括非共线光参量放大光路、C切割蓝宝石片与样品池，所述透射激光聚焦在所述C切割蓝宝石片产生超连续白光，产生的超连续白光通过非共线光参量放大光路进行放大后，得到所述激发光，所述激发光的波长为480nm到720nm。
进一步地，所述激光源采用脉宽35飞秒的激光放大器，所述激光放大器的输出中心波长为800nm，重复频率为1000Hz，进入光路的功率为500mw。
本发明的基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪由于利用光电二极管阵列在光谱仪出光口直接进行光信号的探测完美的解决了光纤接口的各种问题，有如下几点优势：
1、较大的面元尺寸配合长焦距的谱仪在保证光谱分辨率的同时大大降低了光路调整的难度，使得光高的调整和聚焦前后位置的调整都得到了简化；
2、由于面元的宽度达到了0.8至1mm，色散导致的红区和蓝区无法同时聚焦不会影响放大的荧光的收集，不会导致光谱形状的失真；
3、没有光耦合进入光纤和光纤传输过程中的能量损失，提高了探测的灵敏度；
4、不受光纤透过率的影响，使探测范围扩展到了深紫外区(可达190nm)，只需更换谱仪的光栅和红外响应的二极管系统便可扩展到红外区使用；
5、二极管阵列为一次成型产品，46个面元的同一性好，不会因响应差异影响测量结果，简化了光谱强度响应矫正的步骤。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1是根据本发明实施例的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪的结构示意图；
图2是量子噪声未加抑制情况下的放大后的荧光的远场投影照片；
图3是采用本实施例所述的光谱仪对激光染料DCM的乙醇溶液进行时间分辨荧光的测量后的时间分辨荧光光谱；
图4是采用本实施例所述的光谱仪对激光染料DCM的乙醇溶液进行时间分辨荧光的测量后的荧光动力学曲线。
具体实施方式
图1是根据本发明实施例的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪6的结构示意图。本实施例所描述的基于光参量放大的飞秒时间分辨多道锁相荧光光谱仪6，可包括激光源1、分束片2、样品荧光产生与收集系统3、泵浦激光产生系统4、光参量放大光路5、光谱仪6和数据采集系统7。
具体说来，本实施例中的激光源1用脉宽为35飞秒的激光放大器，所述激光放大器的输出中心波长为800nm，重复频率为1000Hz，进入光路的功率为500mw(每个脉冲500微焦)。
所述分束片2采用的是1：1分束片2，用于将所述激光源1的输出激光分为两束，经所述分束片2分为所述两束输出激光即透射激光与反射激光，其中：
所述透射激光用于产生激发光，所述激发光入射至所述样品荧光发生与收集系统，产生与待测样品相对应的荧光并收集；
所述反射激光有分束片2分束、再经反射镜10反射后入射至所述泵浦激光产生系统4，用于倍频产生泵浦光，产生波长为400nm的泵浦光，所述泵浦光入射至所述光参量放大光路5，用于放大所述样品荧光发生与收集系统中所收集到的所述荧光。
关于样品荧光产生与收集系统3的实施有两种方式，一种实施方式包括倍频晶体与样品池，所述透射激光入射至所述倍频晶体产生倍频的所述激发光；所述倍频晶体为β相偏硼酸钡晶体。具体的，是将800nm波长的透射激光直接缩束在2mm厚β相偏硼酸钡(BBO)晶体(其中，θ＝29.2°,φ＝0°)中倍频最终产生400nm波长的激发光。另一种样品荧光产生与收集系统3的实施方式包括非共线光参量放大光路、C切割蓝宝石片与样品池，所述透射激光的一部分(约1毫瓦)聚焦在C切割蓝宝石片产生超连续白光，产生的超连续白光通过非共线光参量放大光路进行放大后，得到所述激发光，所述激发光的波长为480nm到720nm。具体的是搭建非共线光参量放大(NOPA,non-collinearopticalparametricamplification)光路，用于放大部分800nm波长的激光聚焦在2mm厚c切割蓝宝石片上所产生的超连续白光，得到480nm到720nm间某特定波长的激发光，光强可达2mw左右。
在样品荧光产生与收集系统3中采用的样品池为1mm厚流动样品池，由透镜将激发光聚焦于样品上，并用透镜将产生的荧光进行收集。
而光参量放大光路5，具有两个输入端和一个输出端，所述两个输入端分别与所述样品荧光产生与收集系统3、和所述泵浦激光产生系统4的出光端相连，所述输出端接入光谱仪6的入光口，所述光谱仪6的出光口和数据采集系统7相连。
样品荧光产生与收集系统3收集到的荧光被聚焦到另一块2mmBBO晶体(其中，θ＝31.5°，φ＝0°)上，与所述泵浦激光产生系统4产生的400nm泵浦光发生参量放大作用，荧光产生一个约105量级的增益。
由于荧光和泵浦光都具有超短脉冲的时间特性，仅两束光光程完全重合部分的荧光光子与泵浦光相互作用被放大。随着泵浦光一路光程的扫描(通过位移平台移动改变光程)，不同时刻的荧光光子被放大，即得到了荧光的整个动力学过程。由于光参量放大过程中量子噪声与种子荧光同时被放大且在时间与空间上均不可分离，且量子噪声的强度为随机涨落，脉冲之间差异很大，这两点导致时间分辨光参量荧光放大技术的背景噪声无法直接扣除、信噪比不高，在弱信号探测方面一直受到限制。
如图2所示，图2是量子噪声未加抑制情况下的放大后的荧光的远场投影照片，整个明亮的圆环即量子噪声，图2中右侧的亮点为被放大的荧光。亮斑前放置了衰减片来保证放大的荧光与荧光环的亮度都在照相机的动态范围内。图2中间部分放置了一个直立的挡板用来挡住剩余的400nm泵浦光
针对这一问题，本实施例就通过数据采集系统7的优化改进，以得到更为准确且灵敏度高的测量结果，提请注意的是，本实施例中的数据采集系统7为多通道光电二极管阵列8接口锁相放大数据采集系统7，下面我们将着重对此进行描述。
所述多通道光电二极管阵列8接口锁相放大数据采集系统7包括光电二极管阵列8与多通道锁相放大器9，所述光谱仪6的出光口入射至所述光电二极管阵列8，所述光电二极管阵列8的输出口再接入所述多通道锁相放大器9进行运算处理。
通常而言，所述光电二极管阵列8包括至少32个相同的面元，所述光电二极管阵列8一次成型；所述光电二极管阵列8中的所述每个面元的长度为4至5mm，宽度为0.8至1mm，所述至少32个面元中每个面元之间的间距为0.05至0.15mm。较大的面元尺寸配合长焦距的谱仪在保证光谱分辨率的同时大大降低了光路调整的难度，使得光高的调整和聚焦前后位置的调整都得到了简化，另外，由于面元的宽度达到了0.8至1mm，色散导致的红区和蓝区无法同时聚焦不会影响放大的荧光的收集，不会导致光谱形状的失真
本实施例中，所采用的光电二极管阵列8(PDA，photodiodearray)为日本滨松公司生产，型号为S4114-46Q，PDA共46个面元，每个面元长4.4mm，宽0.9mm，面元间距0.1mm，响应范围190nm至1000nm，暗电流仅0.06pA。二极管阵列为一次成型产品，46个面元的同一性好，不会因响应差异影响测量结果，简化了光谱强度响应矫正的步骤。
除此之外，由于二极管的面元相对于光纤出口的面积较大，就可以采用长焦距的光谱仪6(例如f＝500mm)来保证光谱的分辨率。且没有光耦合进入光纤和光纤传输过程中的能量损失，提高了探测的灵敏度，整个光谱仪6的工作不受光纤透过率的影响，使探测范围扩展到了深紫外区(可达190nm)，只需更换谱仪的光栅和红外响应的二极管系统便可扩展到红外区使用。
所述多通道锁相放大器9为基于FPGA实现的多通道同步数字锁相，所述多通道锁相放大器9包括多块FPGA芯片，在所述每块FPGA芯片前分别设有前置放大滤波器与模数转换单元，所述光电二极管阵列8的输出信号经所述前置放大滤波器与模数转换单元后进入所述每块FPGA芯片；
优选地，所述模数转换单元前端还设有低通滤波器、抗混叠滤波器，所述光电二极管阵列8的输出信号依次经所述前置放大滤波器、所述低通滤波器、所述抗混叠滤波器与所述模数转换单元后进入所述每块FPGA芯片。
光电二极管阵列8输出的所有信号经前置放大、低通滤波、抗混叠滤波、模数转换后进入FPGA进行运算处理，最终通过网络接口将处理的结果传输至计算机。在信号并行处理等方面，FPGA具有DSP和单片机等处理器不可比拟的优势，可以实现全硬件的相敏检波，信号处理速度快，可对频率高达MHz量级信号的检测，非常适合多通道锁相的信号处理。基于FPGA的多通道同步数字锁相只需要一个FPGA芯片，即可实现对多达几十个信号通道的同步检测，并具有体积小，动态储备高，方便升级等特点。
我们采用数字锁相进行信号处理，相较之模拟锁相具有以下优势：
1、数字锁相可以避免传统模拟锁相中直流放大器的不稳定性和温度漂移引起的误差；
2、数字锁相的动态余量可以做到高达100dB，而模拟锁相最高只能达到60dB左右；
3、理想的两个数字的正交参考信号都是由数字信号处理器生成，使检测幅度和相位值更精确，同时，由于数字参考信号不存在模拟锁相中参考信号包含的高次谐波的问题，因而可以几乎完全抑制高次谐波对检测的影响。
本实施例中，具有8块FPGA芯片，每块FPGA芯片处理6个通道的信号，共48路，除了处理46路PDA信号外，还设计了一个外接BNC接口直接处理单个二极管采集的光信号，另一路在仪器内部备用。对于常用的荧光放大实验，我们将斩波器置于荧光激发光处将荧光进行频率调制，频率通常设置在100Hz至250Hz之间。
图3是采用本实施例所述的光谱仪6对激光染料DCM的乙醇溶液进行时间分辨荧光的测量后的时间分辨荧光光谱；图4是采用本实施例所述的光谱仪6对激光染料DCM的乙醇溶液进行时间分辨荧光的测量后的荧光动力学曲线。
为了验证本实施例所描述光谱仪6的可靠性，我们对激光染料DCM的乙醇溶液进行了时间分辨荧光的测量，测试的溶液浓度稀释至5×10-5M。所得到的的时间分辨荧光光谱以及荧光动力学曲线列在图3和图4中。
DCM染料的荧光寿命达到纳秒量级，荧光放大系统单次积分时间(约100fs)内所放大的光子仅占总荧光光子的很小一部分，这导致探测信号的强度很低。在染料浓度达到光学稀释级浓度(10-5M)量级时，放大的荧光远弱于荧光环背景噪声，利用传统的CCD光谱仪根本无法采集荧光动力学数据。从图3与图4中我们可以清楚的看到我们利用这套研发的系统完整的采集了DCM染料的整个光谱的动力学信息。图3中不同时刻的荧光光谱谱型光滑，无失真；图4所记录的动力学信息清楚的反映了样品受到激发开始发出荧光以及随着时间推移荧光产量指数衰减的整个过程。两图得到的信息表明该系统可以作为时间分辨宽光谱荧光动力学探测的有效工具，在分子荧光寿命、溶剂化过程、光合模拟体系传能等研究方面得到应用与推广。这套系统结合了锁相放大技术，探测灵敏度远高于传统的CCD传感器；同时，多通路并行探测可以实现整个光谱范围的同时采集，数据信息更加丰富、全面。
为了进一步证明锁相放大器对荧光环的抑制能力，我们将种子光挡住记录下荧光环对于探测的干扰量，再将斩波器移至荧光环一路得到荧光环的实际强度。两者对比发现，锁相放大器可以将荧光环抑制为实际强度的1/300-1/100。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

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：
激光源；
样品荧光产生与收集系统；
泵浦激光产生系统；
光谱仪；
数据采集系统，所述数据采集系统为多通道光电二极管阵列接口锁相放大数据采集系统；
分束片，用于将所述激光源的输出激光分为两束，一束激光入射至所述样品荧光产生与收集系统用于产生激发样品荧光的激发光，另一束激光入射至所述泵浦激光产生系统用于产生放大荧光的泵浦光；和
光参量放大光路，具有两个输入端和一个输出端，所述两个输入端分别与所述样品荧光产生与收集系统和所述泵浦激光产生系统的出光端相连，所述输出端接入光谱仪的入光口，所述光谱仪的出光口和所述数据采集系统相连。
2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述多通道光电二极管阵列接口锁相放大数据采集系统包括光电二极管阵列与多通道锁相放大器，所述光谱仪的出光口入射至所述光电二极管阵列，所述光电二极管阵列的输出口再接入所述多通道锁相放大器进行运算处理。
3.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，所述光电二极管阵列包括至少32个相同的面元，所述光电二极管阵列一次成型。
4.根据权利要求3所述的光谱仪，其特征在于，所述光电二极管阵列中的所述每个面元的长度为4至5mm，宽度为0.8至1mm，所述至少32个面元中每个面元之间的间距为0.05至0.15mm。
5.根据权利要求3所述的光谱仪，其特征在于，所述光电二极管阵列具有46个面元，所述每个面元的长度为4.4mm，宽度为0.9mm，所述46个面元中每个面元之间的间距为0.1mm。
6.根据权利要求2至5中任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述多通道锁相放大器为基于FPGA实现的多通道同步数字锁相，所述多通道锁相放大器包括多块FPGA芯片，在所述每块FPGA芯片前分别设有前置放大滤波器与模数转换单元，所述光电二极管阵列的输出信号经所述前置放大滤波器与所述模数转换单元后进入所述每块FPGA芯片；
优选地，所述模数转换单元前端还设有低通滤波器和抗混叠滤波器，所述光电二极管阵列的输出信号依次经所述前置放大滤波器、所述低通滤波器、所述抗混叠滤波器与所述模数转换单元后进入所述每块FPGA芯片。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述激光源发出激光经所述分束片分为所述两束输出激光即透射激光与反射激光，其中：
所述透射激光用于产生激发光，所述激发光入射至所述样品荧光发生与收集系统，产生与待测样品相对应的荧光并收集；
所述反射激光入射至所述泵浦激光产生系统，用于倍频产生泵浦光，所述泵浦光入射至所述光参量放大光路，用于放大所述样品荧光发生与收集系统中所收集到的所述荧光。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述样品荧光产生与收集系统包括倍频晶体与样品池，所述透射激光入射至所述倍频晶体产生倍频的所述激发光；
优选地，所述倍频晶体为β相偏硼酸钡晶体。
9.根据权利要求1至7中任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述样品荧光产生与收集系统包括非共线光参量放大光路、C切割蓝宝石片与样品池，所述透射激光聚焦在所述C切割蓝宝石片产生超连续白光，产生的超连续白光通过非共线光参量放大光路进行放大后，得到所述激发光，所述激发光的波长为480nm到720nm。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的光谱仪，其特征在于，所述激光源采用脉宽35飞秒的激光放大器，所述激光放大器的输出中心波长为800nm，重复频率为1000Hz，进入光路的功率为500mw。
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