CN110308122B - 基于金纳米球非线性量子相干效应测量微波功率的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波功率测量技术以及金属纳米材料领域。一种基于金纳米球非线性量子相干效应测量微波功率的装置，包括飞秒激光器（1）；位于飞秒激光器（1）出射光路上的分光棱镜（2），顺序位于分光棱镜（2）透射光路上的1/4波片（3）、位置固定的第一反射镜（4），位于分光棱镜（2）反射光路上的第二反射镜（5），第二反射镜（5）位于一维纳米位移台（6）上，一维纳米位移台在平行于分光棱镜（2）的反射光路上前进或者后退移动；本发明通过飞秒激光激发金纳米球产生的双光子荧光来推断功率，而飞秒激光经物镜聚焦后的空间分辨率可达到微米量级。

Description

基于金纳米球非线性量子相干效应测量微波功率的装置
技术领域
本发明涉及微波功率测量技术以及金属纳米材料领域。
背景技术
微波是指频率范围在300 MHz到300 GHz之间的电磁波。任何温度高于绝对零度的物体，都会产生微波辐射。利用微波探测器接收物体所发射的微波辐射，可以非接触的识别和判断目标物体的属性。目前微波已经在雷达、通信、医学、工农业生产等方面都有广泛应用，比如火灾探测、冰层厚度测量、水污染监测、远程生命体征监测等。目前对微波功率的测量主要有两种方法，一种是基于偶极天线测量法，一种是基于原子射频微波测量法。基于偶极天线测量法是将带阻抗的负载偶极天线及相应的二极管探测器放置到待测微波场中，根据二极管探测器的直流电压计算微波功率。这种微波探测器的整体尺寸受其电子元件及偶极天线所限制，空间分辨率在厘米量级。基于原子射频微波测量是近年来新发明的微波功率测量方法，该方法利用里德堡原子的电磁感应透明来测量微波功率，具有很高的灵敏度。这种微波探测器的探测媒介是室温下的气体原子，因此该探测器的空间分辨率受束缚气体原子的玻璃池尺寸所限制，最佳空间分辨率可达到毫米量级。此外，基于原子射频的微波测量方法由于使用气体原子，因此不易与现有设备进行集成。由此可见，现有的微波测量方法在空间分辨率以及器件集成上都受到明显限制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何解决目前微波功率测量装置空间分辨率不高且难以集成的问题。
本发明采用的技术方案是：一种基于金纳米球非线性量子相干效应测量微波功率的装置，包括飞秒激光器（1）；位于飞秒激光器（1）出射光路上的分光棱镜（2），顺序位于分光棱镜（2）透射光路上的1/4波片（3）、位置固定的第一反射镜（4），位于分光棱镜（2）反射光路上的第二反射镜（5），第二反射镜（5）位于一维纳米位移台（6）上，一维纳米位移台在平行于分光棱镜（2）的反射光路上前进或者后退移动；由第一反射镜（4）反射回来的激光经分光棱镜（2）反射后，由二向色镜（7）反射进入物镜（8）作为泵浦光，该泵浦光经物镜（8）聚焦后照射到附着在透明玻片（9）上的金纳米球（10）；由第二反射镜（5）反射回来的激光经分光棱镜（2）透射后，由二向色镜（7）反射进入物镜（8）作为探测光，该探测光经物镜（8）聚焦后再次照射到附着在透明玻片（9）上的金纳米球（10）；经过泵浦光和探测光照射的金纳米球（10）产生的双光子荧光被物镜（10）收集后，经二向色镜（7）以及荧光滤色片（11）后，被凸透镜（12）聚焦到探测器（13）上；探测器（13）所获得的荧光强度经数据线传输到数据采集卡（14）；通过位移台控制器（15）调节一维纳米位移台（6）的位置，以改变泵浦光与探测光的延迟；记录双光子荧光强度随泵浦光与探测光延迟的变化获得金纳米球（10）的非线性量子相干效应；通过已知功率的微波辐照金纳米球（10），探测金纳米球（10）的双光子荧光强度，并记录与已知功率的微波对应的探测金纳米球（10）的双光子荧光强度，以微波功率为横坐标，双光子荧光强度为纵坐标，在直角坐标系中拟合成一条曲线，根据相同功率的微波辐照金纳米球（10），探测到的金纳米球（10）的双光子荧光强度相同，当有未知功率的微波辐射时，通过获得的未知功率的探测金纳米球（10）的双光子荧光强度与曲线上的探测金纳米球（10）的双光子荧光强度比对，即可获得未知微波功率。
作为一种优选方式：所述飞秒激光（1）的中心波长为800 nm，脉宽为15 fs。作为一种优选方式：所述分光棱镜（2）对飞秒激光（1）的分束比1:1，即经过分光棱镜（2）后，透射光路的光强与反射光路的光强相等。
作为一种优选方式：所述的1/4波片3为宽带波片，工作范围波长为500-900 nm。
作为一种优选方式：所述的二向色镜（7）反射波长700 nm以上的激光，并透射波长700 nm以下的荧光。
作为一种优选方式：所述的物镜（8）为油浸物镜，其放大倍数为100倍，数值孔径为1.3。
作为一种优选方式：所述的透明玻片（9）是厚度为0.17 mm的二氧化硅玻片，尺寸为22 mm × 60 mm。
作为一种优选方式：所述荧光滤色片（11）在波长300 nm至700 nm的透过率为99%，波长高于700 nm的透过率低于0.1%。
作为一种优选方式：通过种子介导法生长到直径为60 nm后的金纳米球溶液通过去离子水稀释，得到光学密度为1×10-2的金纳米球稀释液；对该稀释液进行超声振荡使金纳米球均匀分散，利用旋涂仪旋涂在清洗干净的玻片上，形成附着在透明玻片（9）上的金纳米球（10）。
本发明所述方法的工作原理如下：金纳米球的基态与激发态能级间存在一个中间态（如图1所示）；当泵浦光以及探测光的能量分别与基态-中间态，中间态-激发态能量共振时，金纳米球可以共振地吸收两个脉冲，将处于基态的电子泵浦到激发态；通过收集电子自激发态回落到基态时所发射的光子，即可高效地获得金纳米球的双光子荧光信号。双光子荧光强度受中间态量子退相干特性影响。当泵浦光与探测光之间的延迟在中间态量子退相干时间之内时，被泵浦光激发到中间态的电子携带了泵浦光的相位；当使用探测光激发处于中间态的电子时，电子的相位与探测光相位会发生相干效应。在此过程中，由于电子吸收双光子从基态激发到激发态，呈现出非线性响应，因此该相干效应同样呈现出非线性响应。当微波频率与中间态能级共振时，会快速破坏中间态电子的相位，从而减弱金纳米球的非线性量子相干效应，导致金纳米球的双光子荧光强度减弱。根据金纳米球双光子荧光强度的变化即可推断微波功率。
具体测量过程，包括步骤：(a)、将一束飞秒激光经分光棱镜等强度分为两束，其中一束激光穿过四分之一波片后经第一反射镜（定镜）反射后按原光路返回；另一束激光直接经可第二反射镜（动镜）反射后按原光路返回；该反射镜固定在一维纳米位移台上，调节一维纳米位移台前后移动可控制两束激光的延迟；(b)、被定镜返回的激光经分光棱镜、二向色镜反射后进入物镜聚焦，聚焦后的激光作为泵浦光，用于激发金纳米球；(c)、被动镜返回的激光穿过分光棱镜，被二向色镜反射后进入物镜聚焦，聚焦后的激光作为探测光，用于激发金纳米球产生双光子荧光；(d)、金纳米球产生的双光子荧光经二向色镜、滤色片后被凸透镜聚焦到探测器，并被传输到数据采集卡进行分析；(e)、通过位移台控制器控制一维纳米位移台前后位置，改变泵浦光与探测光相对延迟，采集金纳米球双光子荧光信号随延迟的变化情况，即可获得金纳米球的非线性量子相干效应；(f)金纳米球的非线性量子相干效应受辐照金纳米球的微波功率影响，根据已知微波功率对金纳米球的非线性量子相干效应进行校准，即可根据金纳米球的非线性量子相干效应推断未知微波功率。
本发明是一种基于金纳米球非线性量子相干效应的微波功率测量装置，区别于现有的微波功率测量装置，本发明利用飞秒激光泵浦-探测金纳米球过程中所产生的非线性量子相干效应，根据微波对金纳米球中间态量子退相位的影响，通过测量双光子荧光强度推断微波功率。由于该微波功率探测是通过飞秒激光激发金纳米球产生的双光子荧光来推断功率，而飞秒激光经物镜聚焦后的空间分辨率可达到微米量级；同时所使用的微波探测媒介是尺寸在百纳米量级的金纳米颗粒，因此该微波功率探测装置的空间分辨率可到达微米量级。同时所使用的金纳米球可通过薄膜生长，化学刻蚀，激光修饰等过程可控获得，因此所述的功率测量装置可以灵活地集成到其他装置上，形成便携式测量装置。
附图说明：
图1：实现本发明所述的基于金纳米球非线性量子相干效应测量微波功率的原理示意图；
图2：本发明所述的基于金纳米球非线性量子相干效应测量微波功率的装置结构示意图；
图3：(a)金纳米球的透射电子显微成像；(b)金纳米球的扫描场发射显微成像；
图4：在无/有微波辐照情况下金纳米球非线性量子相干效应的对比；
图5：当泵浦-探测激光延迟为零时，金纳米球双光子荧光强度随微波频率的变化情况；
图6：当泵浦-探测激光延迟为零时，金纳米球双光子荧光强度随微波功率的变化情况；
其中，1-飞秒激光器，2-50/50分光棱镜；3-1/4波片；4-第一反射镜（定镜）；5-第二反射镜（动镜）；6-一维纳米位移台；7-二向色镜；8-物镜；9-透明玻片；10-金纳米球；11-荧光滤色片；12-凸透镜；13-单光子探测器；14-数据采集卡；15-位移台控制器；16-微波辐射。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的详细描述。
一种基于金纳米球非线性量子相干效应的微波功率测量装置，如图2所示，包括飞秒激光器1；出射的飞秒激光入射到分光棱镜2；经过分光棱镜2分光后的透射光，经过1/4波片3入射到固定的第一反射镜（定镜）4；经定镜4反射的激光经过1/4波片3返回到分光棱镜2；经过分光棱镜2分光后的反射光，入射到可移动的第二反射镜（动镜）5，动镜5固定在一维纳米位移台6上；经动镜5反射的激光返回到分光棱镜2；经定镜4反射到分光棱镜2的激光，被分光棱镜2反射，并入射到二向色镜7作为泵浦激光；经动镜5反射到分光棱镜2的激光，被分光棱镜2透射，并入射到二向色镜7作为探测激光；泵浦激光与探测激光被二向色镜7反射后入射到物镜8；经物镜聚焦的激光照射到透明玻片9表面；玻片9表面制备有金纳米球10；被聚焦激光照射的金纳米球10所发射的双光子荧光，被物镜8收集后，穿过二向色镜7后，再穿过荧光滤色片11，被凸透镜12聚焦；聚焦后的双光子荧光被单光子探测器13收集；所产生的探测信号被传输到数据采集卡14；位移台控制器15的控制信号传输到一维纳米位移台6，改变一维纳米位移台6的位置，进而改变泵浦光与探测光的延迟，由数据采集卡14记录双光子荧光强度随泵浦光与探测光延迟的变化，获得金纳米球的非线性量子相干效应（如图3所示）。改变微波辐射16的功率，记录不同功率下金纳米球的非线性量子相干效应，依据已知功率校准金纳米球的非线性量子相干效应，进而推断未知微波功率。
所述的飞秒激光1，其中心波长为800 nm，脉宽为15 fs。
所述的分光棱镜2对飞秒激光的分束比1:1，即经过分光棱镜后，透射光路的光强与反射光路的光强相等。
所述的1/4波片3，为宽带波片，工作范围为500-900 nm。
所述的一维纳米位移台6，其作用是移动反射镜5，移动精度可到1 nm。
所述的二向色镜7可以反射700 nm以上的激光，并透射700 nm以下的荧光。
所述的物镜8为油浸物镜，其放大倍数为100倍，数值孔径为1.3。
所述的玻片9是厚度为0.17 mm的二氧化硅玻片，尺寸为22 mm × 60 mm。
所述金纳米球10的直径为60 nm，通过种子介导法生长，通过旋涂法制备到玻片9表面。
所述荧光滤色片11在300 nm至700 nm透过率为99%，高于700 nm透过率低于0.1%。
所述的位移台控制器15，是用于控制一维纳米位移台6作精密移动，实现对泵浦光与探测光延迟的控制。
上述实施例中所述金纳米球的制备方法为：
将通过种子介导法生长的金纳米球溶液通过去离子水稀释，得到光学密度为1×10-2的金纳米球稀释液；对该稀释液进行超声振荡使金纳米球均匀分散，利用旋涂仪将稀释液旋涂在清洗干净的玻片上，用作微波测量；利用旋涂仪将稀释液旋涂在硅片上，用作场发射扫描显微镜表征样品；将稀释液滴涂在铜网上，用作透射电子显微镜表征样品。
图3a为金纳米球的透射电子显微表征结果，可以看出金纳米球的直径在60 nm左右，金纳米球的直径相似；且金纳米球分散均匀，相互之间没有垂直重叠。图3b为金纳米球的场发射扫描显微表征结果，其中黑色部分为“+”字标记，用于标记金纳米球的位置；灰色部分为纯硅片基底；白点为金纳米球；可以看出金纳米球良好的分散在硅片上。
图4a为扫描一维纳米位移台位置时，所采集到的金纳米球非线性量子相干效应，其中左边为无微波辐照情况下的金纳米球非线性量子相干效应，右边是频率为2014兆赫兹，功率为10毫瓦的微波辐照情况下，金纳米球非线性量子相干效应。可以发现，存在微波辐照时，金纳米球非线性量子相干效应明显弱于无微波辐照下的金纳米球非线性量子相干效应。图4b为无微波辐照下金纳米球非线性量子相干效应的细节，图中已经将扫描时间转换为泵浦-探测激光之间的延迟，可以得出随着时间延迟的变化，双光子荧光强度呈现出干涉现象：当干涉相长时（延迟为零时），双光子荧光强度最大；当干涉相消时，双光子荧光强度最弱。与线性干涉效应中，干涉相长是非相干强度的2倍不同，金纳米球的干涉相长可以达到非相干强度的8倍，呈现出非线性效应。图4c为存在微波辐照情况下，金纳米球的非线性量子相干效应，可见在干涉相长时，其双光子荧光强度明显比无微波辐照情况下的弱，即金纳米球的非线性量子相干效应被抑制。通过测量干涉相长情况下，金纳米球的双光子荧光强度随微波辐照功率的变化关系，即可推断未知微波功率。
图5是当微波功率固定为10毫瓦，金纳米球的双光子荧光强度随微波频率的变化关系。随着微波频率的变化，金纳米球的双光子荧光强度呈现一定的起伏。当频率调节至2014兆赫兹时，双光子荧光强度最弱，说明2014兆赫兹的微波与金纳米球中间态的精细能级共振，导致中间态电子相位快速衰变，减弱了金纳米球的非线性量子相干效应，致使金纳米球的双光子荧光减弱。
图6是当微波频率固定为2014兆赫兹，金纳米球的双光子荧光强度随微波功率的变化关系。该变化关系可以通过玻尔兹曼关系式拟合，如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE002
其中I为金纳米球的双光子荧光强度，P为微波功率。拟合效果如图6中的黑线所示。根据该公式，测量得到金纳米球的双光子荧光强度，即可推断位置微波的功率。

Claims (9)

1.一种基于金纳米球非线性量子相干效应测量微波功率的装置，其特征在于：包括飞秒激光器（1）；位于飞秒激光器（1）出射光路上的分光棱镜（2），顺序位于分光棱镜（2）透射光路上的1/4波片（3）、位置固定的第一反射镜（4），位于分光棱镜（2）反射光路上的第二反射镜（5），第二反射镜（5）位于一维纳米位移台（6）上，一维纳米位移台在平行于分光棱镜（2）的反射光路上前进或者后退移动；由第一反射镜（4）反射回来的激光经分光棱镜（2）反射后，由二向色镜（7）反射进入物镜（8）作为泵浦光，该泵浦光经物镜（8）聚焦后照射到附着在透明玻片（9）上的金纳米球（10）；由第二反射镜（5）反射回来的激光经分光棱镜（2）透射后，由二向色镜（7）反射进入物镜（8）作为探测光，该探测光经物镜（8）聚焦后再次照射到附着在透明玻片（9）上的金纳米球（10）；经过泵浦光和探测光照射的金纳米球（10）产生的双光子荧光被物镜（8）收集后，经二向色镜（7）以及荧光滤色片（11）后，被凸透镜（12）聚焦到探测器（13）上；探测器（13）所获得的荧光强度经数据线传输到数据采集卡（14）；通过位移台控制器（15）调节一维纳米位移台（6）的位置，以改变泵浦光与探测光的延迟；记录双光子荧光强度随泵浦光与探测光延迟的变化获得金纳米球（10）的非线性量子相干效应；通过已知功率的微波辐照金纳米球（10），探测金纳米球（10）的双光子荧光强度，并记录与已知功率的微波对应的探测金纳米球（10）的双光子荧光强度，以微波功率为横坐标，双光子荧光强度为纵坐标，在直角坐标系中拟合成一条曲线，根据相同功率的微波辐照金纳米球（10），探测到的金纳米球（10）的双光子荧光强度相同，当有未知功率的微波辐射时，通过获得的未知功率的探测金纳米球（10）的双光子荧光强度与曲线上的探测金纳米球（10）的双光子荧光强度比对，即可获得未知微波功率。
2.根据权利要求1所述的一种基于金纳米球非线性量子相干效应测量微波功率的装置，其特征在于：所述飞秒激光器（1）的中心波长为800 nm，脉宽为15 fs。
3.根据权利要求1所述的一种基于金纳米球非线性量子相干效应测量微波功率的装置，其特征在于：所述分光棱镜（2）对飞秒激光器（1）的分束比1:1，即经过分光棱镜（2）后，透射光路的光强与反射光路的光强相等。
4.根据权利要求1所述的一种基于金纳米球非线性量子相干效应测量微波功率的装置，其特征在于 ：所述的1/4波片（3）为宽带波片，工作范围波长为500-900 nm。
5.根据权利要求1所述的一种基于金纳米球非线性量子相干效应测量微波功率的装置，其特征在于：所述的二向色镜（7）反射波长700 nm以上的激光，并透射波长700 nm以下的荧光。
6.根据权利要求1所述的一种基于金纳米球非线性量子相干效应测量微波功率的装置，其特征在于：所述的物镜（8）为油浸物镜，其放大倍数为100倍，数值孔径为1.3。
7.根据权利要求1所述的一种基于金纳米球非线性量子相干效应测量微波功率的装置，其特征在于：所述的透明玻片（9）是厚度为0.17 mm的二氧化硅玻片，尺寸为22 mm ×60 mm。
8.根据权利要求1所述的一种基于金纳米球非线性量子相干效应测量微波功率的装置，其特征在于：所述荧光滤色片（11）在波长300 nm至700 nm的透过率为99%，波长大于700nm的透过率低于0.1%。
9.根据权利要求1所述的一种基于金纳米球非线性量子相干效应测量微波功率的装置，其特征在于：通过种子介导法生长到直径为60 nm后的金纳米球溶液通过去离子水稀释，得到光学密度为1×10-2的金纳米球稀释液；对该稀释液进行超声振荡使金纳米球均匀分散，利用旋涂仪旋涂在清洗干净的玻片上，形成附着在透明玻片（9）上的金纳米球（10）。
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