CN111239090A - 一种单脉冲激光诱导瞬态分子荧光光谱的测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种单脉冲激光诱导瞬态分子荧光光谱的测量方法及系统，其利用飞秒激光诱导荧光发射技术激发样品产生待测荧光，荧光沿激发光的传播方向被反向收集；一个线性啁啾脉冲与待测荧光信号在二阶非线性介质中相互作用产生和频光信号；作用后的啁啾脉冲内会出现一个强度凹陷，将具有强度凹陷的啁啾脉冲经时间放大系统进行时间展宽；被展宽的具有凹陷的啁啾脉冲和一个线性啁啾脉冲的分量一起被高速响应的光电探测器探测，并输出两个信号被高速示波器记录并测量，处理后便可以获得经时间放大后的瞬态分子荧光信号光谱。本发明技术可以对单个飞秒脉冲激发的分子荧光光谱进行快速测量，获得具有高分辨率、实时性、连续的单帧荧光信号光谱，是一种针对不可重复的物理过程或不可逆的瞬态过程进行快速光谱测量的方法。
Description
技术领域
本发明涉及超快激光与激光光谱测量领域，具体涉及的是超快飞秒光学、光与物质相互作用物理，以及非线性光谱技术。
背景技术
激光诱导荧光光谱测量技术是指利用激光激发分子/原子的电子跃迁至高能级态，并针对电子能级回迁所辐射的荧光信号进行测量。由于分子荧光光谱与激发光源的波长无关，只与荧光物质本身的能级结构有关，所以可以根据荧光谱线对荧光物质进行定性(或定量)的分析鉴别。因为激光诱导荧光的收集与检测方向与激发光不同，因此该技术可以规避激发光的强背景噪声，实现高灵敏度的分子检测。
超短脉冲技术使得时间可分辨的分子荧光光谱测量成为可能。超短脉冲可以在飞秒(1fs＝10-15s)至皮秒(1ps＝10-12s)时间尺度内，激发分子/原子体系的电子能级跃迁，为研究分子荧光的时间演化过程提供了可靠光源。基于超短脉冲的时间分辨荧光光谱技术可以用于测定荧光寿命、量子脉冲频谱、驰豫现象等基础物理过程，对生物学、分子化学、医学等具有重要的应用价值。
目前，研究分子荧光动态过程的方法可以大致分为直接测量技术与泵浦-探测技术。直接探测技术是指利用高速响应的探测器直接对经过光学滤波的分子荧光信号进行探测。此时，探测器的输出信号可以直接反映出荧光强度随时间演化的情况。这种方法操作简单，其时间分辨率在亚纳秒量级(10-8-10-19s)，由探测器以及记录信号的数据采集器的响应时间决定。然而诸如分子间能量或电子转移、分子振动转动等过程都是在皮秒，甚至飞秒量级。所以，该技术无法针对分子超快过程引起的荧光信号变化进行测量。
泵浦-探测技术是指通过调节泵浦光和探测光之间的光程差(延迟时间差)，在不同延迟时间下测量信号的变化，是一种具有高时间分辨率的光谱动力学测量技术。但是该技术需要对荧光信号进行多周期光学采样测量，因此无法实现对分子荧光信号的瞬态过程或是不可重复的信息进行实时测量。
此外，时间拉伸的瞬态傅里叶变换光谱技术可以实现对信号光谱精确、快速的实时测量。但是该技术对脉冲测量的前提是，被测脉冲处于其傅里叶变化极限状态，即脉冲的啁啾量为零，或者说脉冲的脉宽与其光谱形状为傅里叶变化关系。然而，分子荧光信号是非相干光，不能通过时间拉伸的方式展现频率特性，因此该技术无法直接适用于测量分子荧光光谱。
综上所述，虽然激光诱导分子荧光测量为光谱遥感、非线性光物理研究等领域提供了重要的研究与测量手段，但是该技术在高时间分辨率与对分子瞬态过程的测量方面仍然或多或少地存在着技术不足和缺陷。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足之处，提供一种单脉冲激光诱导瞬态分子荧光光谱的测量方法及系统，可以实现对激光诱导荧光光谱的高分辨率、高速实时测量。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
本发明一方面提供一种单脉冲激光诱导瞬态分子荧光光谱的测量方法，其利用飞秒激光诱导荧光发射技术产生荧光信号，即利用飞秒激光激发样品分子产生待测荧光信号，并将荧光信号沿激发光的传播方向反向收集；利用一个线性啁啾脉冲与待测荧光信号在二阶非线性介质中相互作用，产生和频光信号；作用后的线性啁啾脉冲内会出现一个强度凹陷，将具有强度凹陷的啁啾脉冲经时间放大系统进行时间展宽；同时，一个线性啁啾脉冲分量经过相同的时间放大系统进行时间展宽；被展宽的具有凹陷的啁啾脉冲和被展宽的线性啁啾脉冲分量一起被高速响应的光电探测器探测，并输出两个高频电脉冲信号；两个信号被高速示波器记录并测量，经过计算机数据处理之后，便可以获得经时间放大后的瞬态分子荧光信号光谱。其中，所述时间放大系统的时间放大系数M＝展宽啁啾脉冲的时间宽度τ’/啁啾脉冲的时间宽度τ。
本方案中，所述的飞秒激光诱导荧光发射技术是指在激光成丝过程中，光强钳制在1013W/cm2量级上，其强度足够电离或解离大气环境中的各分子并使其处于激发态，等离子体通道中的自由电子与离子复合过程会辐射出携带着物质成分信息的荧光指纹光谱。产生的荧光信号向四周发射，通过沿着激发光传播方向背向收集荧光信号，不仅能够提高收集效率，还能避免激发光的强背景噪声，实现高灵敏度的分子检测。
所述的线性啁啾脉冲是指在群速度色散作用下，脉冲包络内载波的频率呈线性分布。本发明中，具体地，一个超短脉冲在色散介质(如光纤)内传输时，由于色散效应使得脉冲中高频分量向脉冲前沿(或者后延)移动，低频分量向脉冲后沿(或者前延)移动，形成啁啾脉冲。
所述的时间展宽是指一个具有强线性色散效应的光学脉冲啁啾过程。具体地，一个脉冲宽度为t的脉冲，在经过一段二阶群速度色散量为D的色散介质后，在色散作用下其在时间尺度上被拉伸，此时对应的脉宽为T。即脉冲的形状从一个小的时间尺度(t)被放大至一个大的时间尺度(T)，其放大系数为M＝T/t。
所述的强度凹陷是指由于啁啾脉冲在与待测荧光信号相互作用后，其一部分能量被转移给了和频光信号，因此其内部会出现一个凹陷。该凹陷的时间宽度在一定程度上与待测荧光信号宽度呈现一一对应关系，由于其时间尺度在皮秒量级及以下，因此无法被光电探测器直接探测。时间放大系统可以将具有凹陷的啁啾脉冲进行时间展宽。此时，被展宽的凹陷随着啁啾脉冲一起可以被探测器响应，并被示波器记录。
这里所述的一定程度，是指快速的强度变化(如皮秒量级的强度凹陷)会对啁啾脉冲本身的光谱产生调制，致使啁啾脉冲发生非线性形变。但是由于非线性晶体的和频效率有限(例如，<10％)，其所产生的凹陷本身远远小于啁啾脉冲的强度，因此这种快速强度变化引入的脉冲形变可以被忽略。
本发明另一方面提供一种单脉冲激光诱导瞬态分子荧光光谱的测量系统，该系统包括飞秒脉冲激光器、分束器、二向色镜、聚焦透镜、光纤透镜、单模光纤、反射镜、高精度位移电机平台、和频晶体、滤光片、高速探测器和高速示波器。
飞秒脉冲激光器发射激光，经分束器后进行分束，其中透射光分别经过二向色镜和聚焦透镜，激发待测样品分子产生荧光信号，沿着激发光传播方向反向收集荧光信号，荧光信号经一个二向色镜透射后由另一个二向色镜反射输出；反射光则经过耦合器进入一段光纤，进行线性啁啾展宽后再由另一个耦合器输出，再分别经过反射镜、一维电机延时平台和另一面反射镜后被分束器分束；分束后的其中一路经过反射镜、二分之一波片后由二向色镜透射；另一路通过耦合器进入一段长光纤构成的时间放大系统，其输出光直接被探测器探测，并由高速示波器记录与测量；经二向色镜反射的待测荧光信号与经二向色镜透射的啁啾脉冲共同经透镜后聚焦于和频晶体。此时，和频晶体发射出待测荧光信号的基频光、啁啾脉冲的基频光以及和频光。经800nm长通滤光片滤除其余信号光，将啁啾脉冲基频光通过耦合器进入由一段长光纤构成的时间放大系统，其输出光直接被探测器探测，并且所产生的电信号由高速示波器记录与测量；将高速示波器记录的两个信号经过计算机数据处理之后(两个信号数据相减)，则可以得到时间放大后的瞬态分子荧光信号光谱。
本发明提供了一种克服电子设备采样速度和带宽限制，实现连续、超快、逐帧采集光信号的方法及系统，其优点是不需要复杂的光学和电路结构，即可以对单个飞秒脉冲激发的分子荧光光谱进行快速测量，获得具有高分辨率、实时性、连续的单帧荧光信号光谱，是一种针对不可重复的物理过程或不可逆的瞬态过程进行快速光谱测量的方法。该方法为激光诱导分子荧光测量的基础研究和新技术的发展提供了一种新的高速、高时间分辨的技术途径。
附图说明
图1为单脉冲激光诱导瞬态分子荧光光谱的测量方法的原理图；
图2为实施例的系统图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：
参见图1，单脉冲激光诱导瞬态分子荧光光谱的测量方法的原理如下：其利用飞秒激光诱导荧光发射技术激发样品分子产生待测荧光信号，荧光沿激发光的传播方向被反向收集；一个线性啁啾脉冲与待测荧光信号在二阶非线性介质中相互作用，产生和频光信号；作用后的啁啾脉冲内会出现一个强度凹陷，将具有强度凹陷的啁啾脉冲经时间放大系统进行时间展宽；同时，一个线性啁啾脉冲的分量经过相同的时间放大系统进行时间展宽；被展宽的具有凹陷的啁啾脉冲和一个线性啁啾脉冲的分量一起被高速响应的光电探测器探测，并输出两个高频电脉冲信号；两个信号被高速示波器记录并测量，经过计算机数据处理之后(两个信号数据相消)，便可以获得经时间放大后的瞬态分子荧光信号光谱。
本实施例中飞秒脉冲激光器1为Corherent Ultrafast Ti:SapphireFemtosecond Laser System，输出重复频率1kHz、脉冲宽度60fs、中心波长800nm、单脉冲能量500mJ。
本实施例采用图2所示的测量系统，该系统包括飞秒脉冲激光器1以及布置按照光路要求布置的分束器2、二向色镜3和3’、透镜4、样品池5、耦合器6、单模光纤7、反射镜8、高精度一维电机平台9、二分之一波片10、和频晶体11、滤光片12、高速探测器13、高速示波器14。
飞秒脉冲激光器1输出超短激光脉冲，经过分束器2之后被分成两路，其中透射光被二向色镜3反射经过一个焦距为50mm的紫外熔融石英平凸透镜4进行光束的聚焦。焦点落在样品池5内部，激光与待测样品分子相互作用的结果是形成光丝。此时，伴随着成丝产生的荧光信号沿激发光传播方向反向收集，经二向色镜3透射后由二向色镜3’反射输出，记为待测荧光信号a。
另一路光经耦合器6进入第一段长度为40m的单模光纤7并通过另一个耦合器6输出，再经过反射镜8、高精度一维电机平台9和另一面反射镜8，再经过分束器2之后被分成两路，其中一路经过反射镜8、二分之一波片10后经二向色镜3’透射,记为啁啾脉冲b；另一路通过耦合器6被注入一段长度为500m的单模光纤7(即时间放大系统)，记为经时间展宽的啁啾脉冲分量信号e。
两路光脉冲(待测荧光信号a和啁啾脉冲b)经过二向色镜3’后被聚焦透镜4(焦距f＝50mm)聚焦于和频晶体11(I类相位匹配的倍频/和频晶体)。其中，可以通过高精度一维电机平台9和二分之一波片10对啁啾脉冲b的延时和偏振态进行调节，从而使得两路光的偏振态一致，并且时间重合。两路光(待测荧光信号a和啁啾脉冲b)在晶体上产生和频信号光c。此过程中，啁啾脉冲b在其与待测荧光信号a重合处的能量被转移给和频光c，从而啁啾脉冲的相应部位出现一个强度的凹陷。利用800nm长通滤光片12滤除其余信号光，将具有凹陷的啁啾脉冲经过耦合器后被注入一段长度为500m的单模光纤7(即时间放大系统)，记为经时间展宽的具有凹陷的啁啾脉冲信号d。
经过相同时间放大系统的啁啾脉冲分量信号e和具有凹陷的啁啾脉冲信号d分别被相同型号的光电探测器13响应，两个信号被高速示波器14同时记录并测量，经过计算机数据处理之后(两个信号数据相减)，便可以获得时间放大后的待测荧光信号光谱。
由此，整个实施例展示的单脉冲激光诱导瞬态分子荧光光谱的测量方法和系统不仅可以光谱获得分子荧光信号的瞬态信息，同时还可以实现高精度、高分辨率的分子荧光光谱测量。
Claims (6)
1.一种单脉冲激光诱导瞬态分子荧光光谱的测量方法，其特征在于所述方法是利用飞秒激光激发样品分子产生荧光信号；然后沿激发光的传播方向反向收集荧光信号，使待测荧光信号与一个线性啁啾脉冲在二阶非线性介质中相互作用产生和频光信号；作用后的啁啾脉冲内出现一个强度凹陷，将具有强度凹陷的啁啾脉冲经时间放大系统进行时间展宽，同时，线性啁啾脉冲分量作为参考啁啾脉冲经过相同的时间放大系统进行时间展宽；利用高速响应的光电探测器一同检测被展宽的具有强度凹陷的啁啾脉冲和被展宽的参考啁啾脉冲，输出两个高频电脉冲信号；高速示波器记录两路信号，并经过信号对比后，得到经时间放大后的瞬态分子荧光信号光谱；所述时间放大系统的时间放大系数M＝τ’/τ，其中，τ’为展宽后啁啾脉冲的时间宽度，τ为啁啾脉冲的时间宽度，两个参数通过高速示波器直接测量。
2.根据权利要求1所述的单脉冲激光诱导瞬态分子荧光光谱的测量方法，其特征在于，所述线性啁啾脉冲是指在群速度色散作用下，光脉冲包络内载波的频率呈线性分布。
3.根据权利要求1所述的单脉冲激光诱导瞬态分子荧光光谱的测量方法，其特征在于，所述强度凹陷是指由于线性啁啾脉冲在与待测荧光信号相互作用后，其一部分能量被转移给和频光，内部出现一个强度的凹陷，该凹陷的时间宽度在一定程度上与待测荧光信号宽度呈现一一对应的关系。
4.实现权利要求1-3任意一项所述单脉冲激光诱导瞬态分子荧光光谱测量方法的测量系统，其特征在于，所述测量系统包括飞秒脉冲激光器以及布置在光路上的分束器、二向色镜、聚焦透镜、光纤透镜、光纤、反射镜、高精度位移电机平台、和频晶体、滤光片、高速探测器和高速示波器；
所述飞秒脉冲激光器输出超短激光脉冲，经分束器分束，其中透射光分别经过二向色镜和聚焦透镜，激发待测样品并产生荧光，沿着激发光传播方向反向收集荧光信号，荧光信号经一个二向色镜透射后由另一个二向色镜反射输出，为待测荧光信号a；反射光则经过耦合器进入一段光纤，进行线性啁啾展宽后再由另一个耦合器输出，再分别经过反射镜、一维电机延时平台和另一面反射镜后被分束器分束，其中一路经过反射镜、二分之一波片后由二向色镜透射，为啁啾脉冲b，另一路通过耦合器进入一段长光纤构成的时间放大系统，输出为经时间展宽的啁啾脉冲分量信号e；待测荧光信号a与啁啾脉冲b共同经透镜后聚焦于和频晶体，和频晶体发射出待测荧光信号的基频光、啁啾脉冲的基频光以及和频光；滤除其余信号光，将啁啾脉冲基频光通过耦合器进入由同样一段长光纤构成的时间放大系统，输出为经时间展宽的具有凹陷的啁啾脉冲信号d；经过相同时间放大系统的啁啾脉冲分量信号e和具有凹陷的啁啾脉冲信号d直接被相同型号的探测器探测，并且所产生的电信号由高速示波器记录与测量；高速示波器记录的两个信号经过计算机数据处理之后，则得到时间放大后的瞬态分子荧光信号光谱。
5.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述计算机数据处理是指将两个信号数据相减。
6.根据权利要求4所述的测量系统，其特征在于，所述滤除其余信号光是采用800nm长通滤光片滤除。
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