CN106092931A - 一种可成像扫描的激光闪光光解仪装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种可成像扫描的激光闪光光解仪装置，包括：用于对待测样品进行泵浦激发的泵浦光路，用于对待测样品受泵浦光激发区域进行照射的探测光路，用于固定待测样品且能够在三维空间内位移的样品扫描台，用于收集经待测样品散射或反射探测光的接收光路。本发明的装置实现了对待测样品进行空间分辨的瞬态吸收光谱探测，进而重构待测样品瞬态吸收光谱的空间分布图。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测三维瞬态吸收光谱的装置。更具体地，涉及一种可成像扫描的激光闪光光解仪装置。
背景技术
瞬态吸收光谱是指当材料受激吸收后所产生的伴随吸收现象，反映了不同短寿命激发电子态之间的能量跃迁。激光闪光光解(Laser Flash Photolysis)是获取材料瞬态吸收光谱的重要技术手段，进而得以探知光化学、光物理等瞬态响应过程，包括双光子吸收、受激发射、激发态吸收、基态耗尽、三重态间跃迁等。通常需要利用两束光来实现瞬态吸收过程的探测：泵浦光主要使样品实现从基态到激发态的跃迁，即线性吸收；由于激发态是非稳态，并且受到其本征特性、转移概率和环境因素等影响，从而能够诱发激发态间的能量跃迁，其寿命范围亦可覆盖ps～ms等多重时间尺度。因此需要引入探测光，主要对激发态原子(分子)的伴随跃迁过程进行检测，通过研究受激瞬态中间体的时间分辨吸收和发射光谱及相应的动力学信息，能够进一步研究激发态瞬态中间体自身特性以及它们同微环境之间的相互作用，从而对于材料分子结构的电子转移和能量传递等重要微观过程提供时间分辨的瞬态光谱实验数据。
激光闪光光解仪通过脉冲激光激发样品，在另一方向利用探测器观测样品受激后随时间变化过程中产生的瞬态中间体对探测光的吸收或者本身发射光谱的变化情况。该仪器原则上可分为泵浦和探测两部分：泵浦光部分的作用是通过强脉冲(一般为纳秒量级的高能量脉冲激光)使处于基态的样品受激激发，从而提供大量的瞬态中间体、激发态原子/分子作为研究受体；探测光部分与吸收谱仪类似，主要是使探测光经过受激样品，同时保证泵浦脉冲光与探测光在样品区域交叠，经过样品后的探测光可经由单色仪被点探测器(示波器)接收从而实现对于特定波长的动力学分析；或者经由光谱仪被阵列探测器(CCD)接收从而用于特定时间的谱分析研究。从本质上讲，探测光对于样品受激前后透过率即光学密度的差异反映了受激瞬态的特性，换言之，通过比较样品受激前后对探测光吸收率(光学密度)的改变即可推断受激态的性质。
然而待测样品(固体材料)的表面一般是非均匀的，特别是一些表面修饰的半导体纳米晶体材料，修饰位点处的光谱特性会出现显著变化；另外对于一些体材料，表面、界面处的瞬态吸收光谱性能也明显不同于其内部特性。利用现有的商用激光闪光光解仪，无论是对泵浦光，亦或探测光，均使用大光斑大面积辐照待测样品，不能对样品不同的表面区域、界面及内部进行空间分辨的瞬态吸收光谱探测，因此无法进一步研究不同材料时间分辨瞬态吸收光谱的空间差异特性。
综上所述，目前在瞬态吸收光谱检测领域中广泛使用的激光闪光光解仪，无法对具有空间分辨的样品(尤指固体)进行不同区域的有效检测，进而通过时间分辨光谱信息推断材料空间分布差异(纳米修饰官能团研究等)，为了更加直观、有效地由时间分辨瞬态吸收光谱的空间分布，分析不同区域的化学修饰基团对瞬态吸收光谱的进一步影响，有必要设计、发展可成像扫描的激光闪光光解仪装置，以解决现有装置无法进行时间分辨瞬态吸收光谱空间分辨表征的技术瓶颈。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种激光闪光光解仪装置，该装置能够对样品进行不同区域瞬态吸收光谱的空间分辨检测。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案：
一种可成像扫描的激光闪光光解仪装置，包括：
泵浦光路，用于对待测样品进行泵浦激发，所述泵浦光路上设有对泵浦光束进行校准、整形和聚焦的泵浦光扩束系统与泵浦光显微聚焦透镜；
探测光路，用于对待测样品进行照射，所述探测光路上设有对探测光束进行整形和聚焦的探测光扩束系统与探测光显微聚焦透镜；
样品扫描台，用于固定待测样品且能够在三维空间内位移；
接收光路，用于收集经待测样品散射或反射后的探测光，所述接收光路上设有使得单色仪只能接收到焦平面处的探测光同时屏蔽非焦平面处探测光的限光光阑。
优选地，泵浦光束经所述泵浦光扩束系统和泵浦光显微聚焦透镜后形成μm量级的光斑，入射到待测样品上，探测光束经所述探测光扩束系统和探测光聚焦透镜后形成μm量级的光斑，并与泵浦光束的光斑相重合。
优选地，该装置还包括数据分析处理单元，所述数据分析处理单元接收所述接收光路中探测器的输出信号并对该输出信号进行分析处理，所述单色仪通过对波长进行选择，配合样品扫描获得其瞬态吸收光谱的空间分布，然后数据分析处理单元利用e指数拟合待测样品的光学密度变化从而获得激发瞬态吸收寿命的空间分布。
优选地，所述样品扫描台使待测样品在X、Y、Z轴三个方向上步进移动，且移动步长与泵浦光束和探测光束的聚焦光斑尺度相当，从而获得待测样品在每一位置处特定探测光波长下的动力学衰减曲线，所述单色仪对探测光进行波长扫描，从而得到待测样品于每一位置处的一系列探测光波长下的动力学衰减曲线。
优选地，所述数据分析处理单元通过对探测时间和探测波长的有效提取，可以获得待测样品于泵浦光激发后任一时间点在特定探测光波长下的吸光度信号空间分布，进而通过对待测样品于每一位置处特定探测光波长下的动力学衰减曲线进行多项e指数拟合，可以获得衰变寿命，即能够得到待测样品在泵浦光激发后任一时间点在特定探测波长下衰变寿命的空间分布，通过对探测时间的截取，可以获得待测样品随空间分布的吸光度信号随着受激激发时间的延长所导致的变化规律。
本发明的有益效果如下：
本发明的装置通过对泵浦光束和探测光束的μm量级聚焦，实现了对待测样品空间分辨的瞬态吸收光谱探测；本装置通过样品扫描台对待测样品进行三维空间扫描(X、Y、Z轴)，配合μm量级的局域探测光斑，以及探测器前的限光光阑，可以有效提取焦平面处的探测光，从而可以获得局部区域(μm量级)的瞬态吸收光谱信息，进而重构待测样品瞬态吸收光谱的空间分布图。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明的原理图。
图2示出本发明的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
如图1所示一种可成像扫描的激光闪光光解仪装置的原理图，该装置包括泵浦光路100、探测光路200、接收光路300、样品扫描台400和数据分析处理单元500，泵浦光路100中包括沿光轴依次设置的泵浦光源101、泵浦光遮光器102、泵浦光扩束系统103和泵浦光显微聚焦透镜104；探测光路200中包括沿探测光轴依次设置的宽谱探测光源201、光阑202、会聚透镜203、探测光遮光器204、探测光扩束系统205和探测光显微聚焦透镜206；接收光路300包括沿接收光轴依次设置的聚焦透镜301、接收光遮光器302、限光光阑303、单色仪304和光电倍增管305；待测样品401固定设置在样品扫描台400上。
泵浦光路100的作用是使泵浦光源101产生的泵浦光聚焦形成μm量级的光斑，对待测样品401的局部微区进行泵浦激发。探测光路200的作用是使聚焦的探测光斑同待测样品表面的泵浦光斑相重合，接收光路300接收待测样品401散射的探测光，通过对比经过待测样品401在泵浦光作用下的吸光度(光学密度)变化，由单色仪304选出待测波长的光学密度动力学变化信息，再经由光电倍增管305放大结合数字示波器采集信号，同时能够利用单色仪304进行探测光波长扫描，并且控制样品扫描台400对待测样品进行空间三维(X、Y、Z轴)移动扫描，以便获得局部区域(μm量级)的瞬态吸收光谱信息，进而通过数据分析处理单元500重构待测样品401空间分布的瞬态吸收光谱。
基于上面的原理阐述，使用本发明的装置对半导体纳米晶体(SemiconductorNanocrystals)薄膜的不同位置(X、Y、Z轴)进行瞬态吸收光谱测量，探索其三维空间分布的瞬态吸收光谱。使用的装置结构如图2所示，该装置包括ns固态激光泵浦光源101、倍频放大器105、反射镜106、泵浦光遮光器102、泵浦光扩束系统103、泵浦光显微聚焦透镜104，宽谱氙灯探测光源201、光阑202、会聚透镜203、探测光遮光器204、探测光扩束系统205、探测光显微聚焦透镜206，待测样品401、样品扫描台400、聚焦透镜301、接收光遮光器302、限光光阑303、单色仪304、光电倍增管305和计算机500。
本装置采用功率为450mJ，波长为1064nm的ns固态激光器作为泵浦光源101，经过倍频放大器105后能够实现二倍频532nm(200mJ)或三倍频355nm(100mJ)的泵浦光输出，由倍频放大器105出射的泵浦光束经反射镜106进行光束整形校准，泵浦光遮光器102用于防止高能量泵浦光对待测样品401长时间辐照而导致其变性(保护样品)，经过泵浦光扩束系统103对泵浦光进行扩束，泵浦光扩束系统103可以选择不同焦距、直径的双胶合凸透镜组或者凹透镜-凸透镜组，扩束后的泵浦光经由泵浦光显微聚焦透镜104进行聚焦，使得μm量级的泵浦光斑入射于待测样品401上。
探测光源201采用450W高功率氙灯(光谱范围200～900nm)，输出光束经过光阑202和会聚透镜203进行光束准直，随后通过探测光遮光器204(防止待测样品过长时间经受探测光辐照而变性)，经由探测光扩束系统205对探测光进行扩束，考虑到探测光的工作波长，可以选择覆盖波长范围广的不同焦距的双胶合凸透镜组或者凹透镜-凸透镜组合，扩束后的探测光经由探测光显微聚焦透镜206进行聚焦，使得μm量级的探测光斑入射于待测样品，并且同泵浦光斑在待测样品上的入射位置相重合。
待测样品401固定于样品扫描台400，并且通过计算机500操控样品扫描台400的驱动器402，从而能够对待测样品401以一定的步长进行三维空间(X、Y、Z轴)扫描，进一步得到待测样品401不同区域的瞬态吸收光谱分布。待测样品401在泵浦光的作用下，使其原子/分子由单重基态跃迁到单重激发态，随后实时监测通过待测样品散射的探测光，经过聚焦透镜301进行收集，接收光遮光器302用于保护探测器，限光光阑303保证探测器只收集焦平面处被散射的探测光，用以提高待测样品瞬态吸收光谱的空间分辨率，随后通过单色仪304筛选出特定的探测光波长，再由光电倍增管305和示波器对光信号进行放大并转换为电压信号进行数字采集，输出的光强信号由计算机500进行数据分析处理。
最终处理的信号包括探测光在待测样品某微区受到泵浦光激发前后指定波长处随时间变化的吸光度(光学密度)动力学信息和瞬态光谱信息，在指定探测波长处对光学密度动力学曲线的e指数拟合，并由此得到的瞬态吸收寿命信息。
本实施例中，所述样品扫描台400是可以实现X-Y-Z轴方向三维步进电机控制调节的平台，调节精度为1μm，三维行程为50mm；通过驱动器402控制样品扫描台400对待测半导体纳米晶体薄膜进行三维扫描，从而获得待测样品401在每一个特定位置(xi,yi,zi)处特定探测波长下的动力学衰减曲线，配合单色仪304进行探测波长扫描，由此能够得到待测样品401于每一特定位置(xi,yi,zi)处一系列探测波长下的动力学衰减曲线。计算机500通过对探测时间和探测波长的有效提取，可以获得待测样品401在泵浦光激发样品后某一特定时间处在特定探测波长下的吸光度信号空间分布；进而通过对待测样品401于每一特定位置(xi,yi,zi)处特定探测波长下的动力学衰减曲线进行多项e指数拟合，可以获得衰变寿命，即能够得到待测样品401在泵浦光激发样品后某一特定时间处在特定探测波长下衰变寿命的空间分布。通过对探测时间的截取，可以获得待测样品401随空间分布的吸光度信号随着受激激发时间的延长所导致的变化规律。从而即获得其瞬态吸收光谱的空间分布信息，即在待测样品401表面不同位置处的瞬态吸收光谱和某一波长下的光学密度动力学变化，通过进一步e指数拟合可以得到激发态寿命的空间分布。
实施例2
使用实施例1中所述的可成像扫描的激光闪光光解仪装置，通过扫描金属纳米棒标记的生物细胞样品。其它与实施例1中相同，从而能够实现细胞不同空间分布的瞬态吸收光谱和吸光度(光学密度)动力学变化信息。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
Claims (5)
1.一种可成像扫描的激光闪光光解仪装置，其特征在于，包括：
泵浦光路，用于对待测样品进行泵浦激发，所述泵浦光路上设有对泵浦光束进行校准、整形和聚焦的泵浦光扩束系统与泵浦光显微聚焦透镜；
探测光路，用于对待测样品受泵浦光激发区域进行照射，所述探测光路上设有对探测光束进行整形和聚焦的探测光扩束系统与探测光显微聚焦透镜；
样品扫描台，用于固定待测样品且能够在三维空间内位移；
接收光路，用于收集经待测样品散射或反射后的探测光，所述接收光路上设有使得单色仪只能接收到焦平面处的探测光同时屏蔽非焦平面处探测光的限光光阑。
2.根据权利要求1所述的一种可成像扫描的激光闪光光解仪装置，其特征在于：泵浦光束经所述泵浦光扩束系统和泵浦光显微聚焦透镜后形成μm量级的光斑，入射到待测样品上，探测光束经所述探测光扩束系统和探测光聚焦透镜后形成μm量级的光斑，并与泵浦光束的光斑相重合。
3.根据权利要求1所述的一种可成像扫描的激光闪光光解仪装置，其特征在于：该装置还包括数据分析处理单元，所述数据分析处理单元接收所述接收光路中探测器的输出信号并对该输出信号进行分析处理，所述单色仪通过对波长进行选择，配合样品扫描获得其瞬态吸收光谱的空间分布，然后数据分析处理单元利用e指数拟合待测样品的光学密度变化从而获得激发瞬态吸收寿命的空间分布。
4.根据权利要求3所述的一种可成像扫描的激光闪光光解仪装置，其特征在于：所述样品扫描台使待测样品在X、Y、Z轴三个方向上步进移动，且移动步长与泵浦光束和探测光束的聚焦光斑尺度相当，从而获得待测样品在每一位置处的任一探测光波长下的动力学衰减曲线，所述单色仪对探测光进行波长扫描，从而得到待测样品于每一位置处的一系列探测光波长下的动力学衰减曲线。
5.根据权利要求4所述的一种可成像扫描的激光闪光光解仪装置，其特征在于：所述数据分析处理单元通过对探测时间和探测波长的有效提取，可以获得待测样品于泵浦光激发后任一时间点在特定探测光波长下的吸光度信号空间分布，进而通过对待测样品于每一位置处特定探测光波长下的动力学衰减曲线进行多项e指数拟合，可以获得衰变寿命，即能够得到待测样品在泵浦光激发后任一时间点的在特定探测波长下衰变寿命的空间分布，通过对探测时间的截取，可以获得待测样品随空间分布的吸光度信号随着受激激发时间的延长所导致的变化规律。
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