CN114488649B - 一种适用于荧光测量的高信噪比级联光克尔门及实现方法 - Google Patents

一种适用于荧光测量的高信噪比级联光克尔门及实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种适用于荧光测量的高信噪比级联光克尔门及实现方法，是通过两个级联的光克尔门对荧光进行选通和测量，通过调整半波片使得开关光脉冲的偏振方向与水平方向成45°；调节第一光学延时线使第一个开关光脉冲的光程和荧光在第一光克尔介质处的光程相等，使得第一个光克尔门打开；通过调节第二光学延时线使第二个开关光脉冲的光程和荧光在第二光克尔介质处的光程相等，使得第二个光克尔门打开。由于级联光克尔门具有两组相互正交的偏振器，级联光克尔门的消光比远远高于单光克尔门的消光比，所以级联光克尔门相比于传统光克尔门可以实现更高的探测信噪比。

Description

一种适用于荧光测量的高信噪比级联光克尔门及实现方法
技术领域
本发明属于超快速成像与测量技术领域，涉及适用于超快荧光测量的高信噪比级联光克尔门及其实现方法。
背景技术
发展超快速成像与测量技术，在高速碰撞、爆轰过程、高压放电、视觉机制等瞬态过程研究领域，有着重要的应用价值。通常，利用光电技术可以实现毫秒至亚皮秒的高时间分辨成像，然而在分子结构动力学，超快速表面振动过程、极端时间分辨荧光显微成像、强散射体内部物体识别等研究领域，必须使用基于光子技术的超快速成像技术，比如飞秒全息成像和非线性光学门选通成像技术。
光克尔门选通成像与测量技术是一种典型的非线性光学门选通成像与测量技术。这种成像技术利用光克尔效应构造的光学快门，通常被称为光克尔门，它无需相位匹配，选通光子效率高，具备可达飞秒量级的开关时间。因此，光克尔门选通成像技术在超快动态过程记录、高时间分辨荧光显微技术、强散射体内部物体识别等研究领域，得到了广泛的应用，具有重要的科学意义和应用价值。
在传统的光克尔门选通荧光技术中，由于构成光克尔门装置的两个偏振片固有的消光比造成在测量长寿命荧光时存在大的泄露光噪声，这使得传统光克尔门在测量长寿命荧光时存在局限性。因此，发展各种技术，提高光克尔门的抑制泄露光噪声的能力，从而进一步扩展光克尔门在荧光动力学测量领域的技术性能具有非常重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于超快荧光测量的高信噪比级联光克尔门的方法及其装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种适用于超快荧光测量的高信噪比级联光克尔门包括飞秒激光器，在飞秒激光器的发射光路上设有第一反射镜、第一分束片，第一分束片将光路分成探测光路和开关光路，其中探测光路上依次设有第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第一凸透镜、倍频晶体、400nm半波片、带通滤波片、荧光样品、第一长通滤波片、第二凸透镜、第一衰减片、第一偏振器、第三凸透镜、第一光克尔介质、第四凸透镜、第二偏振器、第五凸透镜、第二光克尔介质、第六凸透镜、第三偏振器、短通滤波片、第二长通滤波片、第七凸透镜、单色仪、光子计数器、CCD相机，使荧光依次被两个级联的光克尔门选通；第一偏振器的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，第二偏振器的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向垂直，第三偏振器的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同。开关光路上依次设有半波片，半波片用于调整泵浦光的偏振方向，第二衰减片、再经过用于调节开关脉冲的光程的第一光学延时线、第二分束片、第二分束片将开关光路分成两路，经过第二分束片透射的开关光路经过第五反射镜、第六反射镜、第二光学延时线、第七反射镜、第八反射镜、第八凸透镜，到达光克尔介质，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。经过第二分束片反射的开关光路经过第九反射镜、第十反射镜、第十一反射镜、第九凸透镜，到达光克尔介质，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。
两个级联的光克尔门分别被两个开关脉冲依次打开并选通荧光信号，由于级联光克尔门具有两组相互正交的偏振器，级联光克尔门的消光比远远高于单光克尔门的消光比，所以级联光克尔门相比于传统光克尔门可以实现更高的探测信噪比。
所述的飞秒激光器为含有放大器的飞秒激光系统；
所述的第一和第二分束片的分束比为1:1。
所述的第一和第二衰减片为中性衰减片，包括固定光学密度的中性衰减片或者可变中性密度衰减片。
所述的光学延时线由电脑控制的精密步进移动平台和放置在精密步进移动平台上的两个相互垂直的反射镜构成，两个相互垂直的反射镜对飞秒开关脉冲光进行后向反射；精密步进移动平台对飞秒开关脉冲光的光程的进行调整，调整精度为1.5～15微米，光学延时线的最小光程改变量为10～100fs。
所述的半波片为零级半波片，其材质为石英材质或BK玻璃。
所述的起偏器和检偏器为棱镜偏振器或消光比大于104:1的薄膜偏振器；其中棱镜偏振器包括尼科尔棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器或渥拉斯顿棱镜偏振器。
所使用的光克尔介质为三阶非线性光学材料。
所述的光克尔介质为包括二硫化碳、硝基苯、四氯化碳、苯、NMP非完全电子响应的光克尔介质。
一种适用于荧光测量的高信噪比级联光克尔门的实现方法，包括以下步骤：
1)将飞秒激光器1出射的偏振的飞秒脉冲激光经第一分束片3分为两束，其中一束作为探测光路的飞秒探测脉冲光，另一束作为开关光路的飞秒开关脉冲光；
2)飞秒探测脉冲光经第二反射镜4、第三反射镜5、第四反射镜6、第一凸透镜7、倍频晶体8、400nm半波片9、带通滤波片10、荧光样品11、第一长通滤波片12、第二凸透镜13、第一衰减片14、第一偏振器15、第三凸透镜16、第一光克尔介质17、第四凸透镜18、第二偏振器19、第五凸透镜20、第二光克尔介质21、第六凸透镜22、第三偏振器23、短通滤波片24、第二长通滤波片25、构成级联光克尔门。分别调整偏振器15和偏振器19至探测光偏振方向的平行方向和垂直方向。调整偏振器23至探测光偏振方向的平行方向。
3)调节400nm半波片9改变经倍频晶体8倍频后的激发光的偏振方向，使得激发光的偏振方向的偏振方向与水平方向成54.7°，实现对荧光样品11的魔角激发。
4)开关光经过半波片30，半波片30用于调整泵浦光的偏振方向，第二衰减片31、再经过用于调节开关脉冲的光程的第一光学延时线32、第二分束片33、第二分束片33将开关光路分成两路，经过第二分束片33透射的开关光路经过第五反射镜34、第六反射镜35、第二光学延时线36、第七反射镜37、第八反射镜38、第八凸透镜39，到达光克尔介质17，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。经过第二分束片33反射的开关光路经过第九反射镜40、第十反射镜41、第十一反射镜42、第九凸透镜43，到达光克尔介质21，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。
5)调整800nm半波片30使得开关光脉冲的偏振方向与水平方向成45°，调节第一光学延时线32使得第一个开关光脉冲的光程和荧光在第一光克尔介质17处的光程相等，于是第一个光克尔门打开。调节第二光学延时线36使得第二个开关光脉冲的光程和荧光在第二光克尔介质21处的的光程相等，于是第二个光克尔门打开。
6)根据单色仪27上的光子计数器28或者CCD相机29接收选通的时间分辨荧光信号，利用电脑控制的精密步进移动平台控制第一光学延时线32移动并实时采集选通的荧光信号数据，获得两个光克尔门同时选通作用下的时间分辨荧光信号，可实现适用于超快荧光测量的高信噪比级联光克尔门。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供的基于一种适用于超快荧光测量的高信噪比级联光克尔门技术，将光路分为探测光路和开关光路。在开关光路上依次设有半波片，半波片用于调整泵浦光的偏振方向，第二衰减片、再经过用于调节开关脉冲的光程的第一光学延时线、第二分束片、第二分束片将开关光路分成两路，经过第二分束片透射的开关光路经过第五反射镜、第六反射镜、第二光学延时线、第七反射镜、第八反射镜、第八凸透镜，到达光克尔介质，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。经过第二分束片反射的开关光路经过第九反射镜、第十反射镜、第十一反射镜、第九凸透镜，到达光克尔介质，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。调整800nm半波片使得开关光脉冲的偏振方向与水平方向成45°，调节第一光学延时线使得第一个开关光脉冲的光程和荧光在第一光克尔介质处的光程相等，于是第一个光克尔门打开。调节第二光学延时线使得第二个开关光脉冲的光程和荧光在第二光克尔介质处的的光程相等，于是第二个光克尔门打开。由于级联光克尔门具有两组相互正交的偏振器，级联光克尔门的消光比远远高于单光克尔门的消光比，所以级联光克尔门相比于传统光克尔门可以实现更高的探测信噪比。在探测光路上依次设有第一反射镜、第一分束片，第一分束片将光路分成探测光路和开关光路，其中探测光路上依次设有第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第一凸透镜、倍频晶体、400nm半波片、带通滤波片、荧光样品、第一长通滤波片、第二凸透镜、第一衰减片、第一偏振器、第三凸透镜、第一光克尔介质、第四凸透镜、第二偏振器、第五凸透镜、第二光克尔介质、第六凸透镜、第三偏振器、短通滤波片、第二长通滤波片、第七凸透镜、单色仪、光子计数器、CCD相机，使荧光依次被两个级联的光克尔门选通；第一偏振器的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，第二偏振器的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向垂直，第三偏振器的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同。级联光克尔门实现了对荧光高信噪比的选通，在诸如飞秒时间分辨率超快荧光动力学研究等领域中具有重要的应用价值。
本发明提供的适用于超快荧光测量的高信噪比级联光克尔门的方法，是指分别通过两个级联的光克尔门对荧光进行选通，以达到以下几个条件：调整800nm半波片使得开关光脉冲的偏振方向与水平方向成45°；调节第一光学延时线使得第一个开关光脉冲的光程和荧光在第一光克尔介质处的光程相等，于是第一个光克尔门打开；调节第二光学延时线36使得第二个开关光脉冲的光程和荧光在第二光克尔介质处的光程相等，于是第二个光克尔门打开。由于级联光克尔门具有两组相互正交的偏振器，级联光克尔门的消光比远远高于单光克尔门的消光比，所以级联光克尔门相比于传统光克尔门可以实现更高的探测信噪比。
附图说明
图1是本发明提供的适用于超快荧光测量的高信噪比级联光克尔门技术的装置示意图；
图2(a)是利用本发明的所测得的单光克尔门和级联光克尔门的时间分辨单波长探测的荧光动力学结果，单波长探测法的探测模块由单色仪和光子计数器组成。图2(b)是对图2(a)中的数据进行数据拟合获得的残差值比较结果，残差是拟合值和真实值之间的误差，残差反映了拟合效果的误差大小。
图3是利用本发明的所测得的(a)单光克尔门和(b)级联光克尔门的时间分辨全波长探测的荧光动力学结果，全波长探测法的探测模块由单色仪和CCD组成。
图4是利用从图3中的全波长提取的三组单光克尔门和级联光克尔门的时间分辨单波长的荧光动力学结果。提取的波长依次为(a)515nm，(b)540nm和(c)560nm。
1为飞秒激光器、2为第一反射镜、3为第一分束片、4为第二反射镜、5为第三反射镜、6为第四反射镜、7为第一凸透镜、8为倍频晶体、9为400nm半波片、10为带通滤波片、11为荧光样品、12为第一长通滤波片、13为第二凸透镜、14为第一衰减片、15为第一偏振器、16为第三凸透镜、17为第一光克尔介质、18为第四凸透镜、19为第二偏振器、20为第五凸透镜、21为第二光克尔介质、22为第六凸透镜、23为第三偏振器、24为短通滤波片、25为第二长通滤波片、26为第七凸透镜、27为单色仪、28为光子计数器、29为CCD相机、30为半波片、31为第二衰减片、32为第一光学延时线、33为第二分束片、34为第五反射镜、35为第六反射镜、36为第二光学延时线、37为第七反射镜、38为第八反射镜、39为第八凸透镜，40为第九反射镜、41为第十反射镜、42为第十一反射镜、43为第九凸透镜。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
本发明提供的适用于超快荧光测量的高信噪比级联光克尔门的方法，是指分别通过两个级联的光克尔门对荧光进行选通，以达到以下几个条件：调整800nm半波片30使得开关光脉冲的偏振方向与水平方向成45°；调节第一光学延时线32使得第一个开关光脉冲的光程和荧光在第一光克尔介质17处的光程相等，于是第一个光克尔门打开；调节第二光学延时线36使得第二个开关光脉冲的光程和荧光在第二光克尔介质21处的的光程相等，于是第二个光克尔门打开。由于级联光克尔门具有两组相互正交的偏振器，级联光克尔门的消光比远远高于单光克尔门的消光比，所以级联光克尔门相比于传统光克尔门可以实现更高的探测信噪比。
如图1所示，本发明提供的适用于超快荧光测量的高信噪比级联光克尔门，包括飞秒激光器，在飞秒激光器1的发射光路上设有第一反射镜2、第一分束片3，第一分束片3将光路分成探测光路和开关光路，其中飞秒探测脉冲光经第二反射镜4、第三反射镜5、第四反射镜6、第一凸透镜7、倍频晶体8、400nm半波片9、带通滤波片10、荧光样品11、第一长通滤波片12、第二凸透镜13、第一衰减片14、第一偏振器15、第三凸透镜16、第一光克尔介质17、第四凸透镜18、第二偏振器19、第五凸透镜20、第二光克尔介质21、第六凸透镜22、第三偏振器23、短通滤波片24、第二长通滤波片25、构成级联光克尔门。分别调整偏振器15和偏振器19至探测光偏振方向的平行方向和垂直方向。调整偏振器23至探测光偏振方向的平行方向。开关光经过半波片30，半波片30用于调整泵浦光的偏振方向，第二衰减片31、再经过用于调节开关脉冲的光程的第一光学延时线32、第二分束片33、第二分束片33将开关光路分成两路，经过第二分束片33透射的开关光路经过第五反射镜34、第六反射镜35、第二光学延时线36、第七反射镜37、第八反射镜38、第八凸透镜39，到达光克尔介质17，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。经过第二分束片33反射的开关光路经过第九反射镜40、第十反射镜41、第十一反射镜42、第九凸透镜43，到达光克尔介质21，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。
所述的飞秒激光器为含有放大器的飞秒激光系统；
所述的第一和第二分束片的分束比为1:1。
所述的第一和第二衰减片为中性衰减片，包括固定光学密度的中性衰减片或者可变中性密度衰减片。
所述的光学延时线由电脑控制的精密步进移动平台和放置在精密步进移动平台上的两个相互垂直的反射镜构成，两个相互垂直的反射镜对飞秒开关脉冲光进行后向反射；精密步进移动平台对飞秒开关脉冲光的光程的进行调整，调整精度为1.5～15微米，光学延时线的最小光程改变量为10～100fs。
所述的半波片为零级半波片，其材质为石英材质或BK玻璃。
所述的起偏器和检偏器为棱镜偏振器或消光比大于104:1的薄膜偏振器；其中棱镜偏振器包括尼科尔棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器或渥拉斯顿棱镜偏振器。
所使用的光克尔介质为三阶非线性光学材料。
所述的光克尔介质为包括二硫化碳、硝基苯、四氯化碳、苯、NMP非完全电子响应的光克尔介质。
本发明的基于光学双折射效应的飞秒双开关光克尔门技术的装置优选参数如下：
飞秒激光器发射的飞秒脉冲激光的单脉冲能量为3mJ，脉宽为50fs，经过放大器输出的重复频率1kHz；第一和第二分束片的分束比为1:1，各束光强度由两个衰减片调节；第一、第二、第三、第四、第五、第六、第七、第八和第九凸透镜的焦距分别为15cm、5cm、10cm、7.5cm、10cm、7.5cm、15cm、20cm和20cm；起偏器、检偏器和偏振片均为尼科尔棱镜偏振器，透光孔径为1.2cm；光学延时线的最小光程改变量为10.4fs；以二硫化碳作为光克尔介质。
本发明提供的适用于超快荧光测量的高信噪比级联光克尔门的方法，是指分别通过两个级联的光克尔门对荧光进行选通，以达到以下几个条件：调整800nm半波片30使得开关光脉冲的偏振方向与水平方向成45°；调节第一光学延时线32使得第一个开关光脉冲的光程和荧光在第一光克尔介质17处的光程相等，于是第一个光克尔门打开；调节第二光学延时线36使得第二个开关光脉冲的光程和荧光在第二光克尔介质21处的的光程相等，于是第二个光克尔门打开。由于级联光克尔门具有两组相互正交的偏振器，级联光克尔门的消光比远远高于单光克尔门的消光比，所以级联光克尔门相比于传统光克尔门可以实现更高的探测信噪比。
参见图1，该方法具体包括以下步骤：
1)将飞秒激光器1出射的偏振的飞秒脉冲激光经第一分束片3分为两束，其中一束作为探测光路的飞秒探测脉冲光，另一束作为开关光路的飞秒开关脉冲光；
2)飞秒探测脉冲光经第二反射镜4、第三反射镜5、第四反射镜6、第一凸透镜7、倍频晶体8、400nm半波片9、带通滤波片10、荧光样品11、第一长通滤波片12、第二凸透镜13、第一衰减片14、第一偏振器15、第三凸透镜16、第一光克尔介质17、第四凸透镜18、第二偏振器19、第五凸透镜20、第二光克尔介质21、第六凸透镜22、第三偏振器23、短通滤波片24、第二长通滤波片25、构成级联光克尔门。分别调整偏振器15和偏振器19至探测光偏振方向的平行方向和垂直方向。调整偏振器23至探测光偏振方向的平行方向。
3)调节400nm半波片9改变经倍频晶体8倍频后的激发光的偏振方向，使得激发光的偏振方向的偏振方向与水平方向成54.7°，实现对荧光样品11的魔角激发。
4)开关光经过半波片30，半波片30用于调整泵浦光的偏振方向，第二衰减片31、再经过用于调节开关脉冲的光程的第一光学延时线32、第二分束片33、第二分束片33将开关光路分成两路，经过第二分束片33透射的开关光路经过第五反射镜34、第六反射镜35、第二光学延时线36、第七反射镜37、第八反射镜38、第八凸透镜39，到达光克尔介质17，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。经过第二分束片33反射的开关光路经过第九反射镜40、第十反射镜41、第十一反射镜42、第九凸透镜43，到达光克尔介质21，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。
5)调整800nm半波片30使得开关光脉冲的偏振方向与水平方向成45°，调节第一光学延时线32使得第一个开关光脉冲的光程和荧光在第一光克尔介质17处的光程相等，于是第一个光克尔门打开。调节第二光学延时线36使得第二个开关光脉冲的光程和荧光在第二光克尔介质21处的的光程相等，于是第二个光克尔门打开。
6)根据单色仪27上的光子计数器28或者CCD相机29接收选通的时间分辨荧光信号，利用电脑控制的精密步进移动平台控制第一光学延时线32移动并实时采集选通的荧光信号数据，获得两个光克尔门同时选通作用下的时间分辨荧光信号，可实现适用于超快荧光测量的高信噪比级联光克尔门。
实施例1
本实施例以二硫化碳作为光克尔介质。以二硫化碳为参考样品。并以具体实施步骤如下：
(1)从飞秒激光器出射的单脉冲能量为3mJ，脉宽为50fs，重复频率1kHz，水平方向偏振的飞秒脉冲激光，被分束比为1:1的分束片分为两束，一束为探测光，另一束为开关光。
(2)探测光经第二反射镜、第三反射镜和第四反射镜调整传播方向，经第一凸透镜聚焦进入倍频晶体，经400nm半波片改变激发光偏振方向为与水平方向成54.7°夹角，经带通滤波片滤除倍频后剩余的基频光，激发光激发荧光样品产生荧光，经第一长通滤波片滤除剩余的激发光，经第二凸透镜变成平行光，经第一偏振器、再经第三凸透镜镜聚焦进入第一光克尔介质二硫化碳、再经第四凸透镜变成平行光，经第二偏振器，，经第五凸透镜镜聚焦进入第二光克尔介质二硫化碳，再经第六凸透镜变成平行光、后经过第三偏振器，经短通滤波片和第二畅通滤波片滤除泵浦光散射噪声，后经第七凸透镜聚焦进入单色仪，后进入CCD或光电倍增管进行探测。
(3)开关光经过半波片30，半波片30用于调整泵浦光的偏振方向，第二衰减片31、再经过用于调节开关脉冲的光程的第一光学延时线32、第二分束片33、第二分束片33将开关光路分成两路，经过第二分束片33透射的开关光路经过第五反射镜34、第六反射镜35、第二光学延时线36、第七反射镜37、第八反射镜38、第八凸透镜39，到达光克尔介质17，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。经过第二分束片33反射的开关光路经过第九反射镜40、第十反射镜41、第十一反射镜42、第九凸透镜43，到达光克尔介质21，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合。
(4)调整800nm半波片30使得开关光脉冲的偏振方向与水平方向成45°，调节第一光学延时线32使得第一个开关光脉冲的光程和荧光在第一光克尔介质17处的光程相等，于是第一个光克尔门打开。调节第二光学延时线36使得第二个开关光脉冲的光程和荧光在第二光克尔介质21处的的光程相等，于是第二个光克尔门打开。
(5)根据单色仪27上的光子计数器28或者CCD相机29接收选通的时间分辨荧光信号，利用电脑控制的精密步进移动平台控制第一光学延时线32移动并实时采集选通的荧光信号数据，获得两个光克尔门同时选通作用下的时间分辨荧光信号。
图2(a)是利用本发明的所测得的单光克尔门和级联光克尔门的时间分辨单波长探测的荧光动力学结果，单波长探测法的探测模块由单色仪和光子计数器组成。图2(b)是对图2(a)中的数据进行数据拟合获得的残差值比较结果，残差是拟合值和真实值之间的误差，残差反映了拟合效果的误差大小。可以看出，级联光克尔门所测得的荧光动力学结果的信噪比明显高于单光克尔门的信噪比。单光克尔门的拟合残差值是单光克尔门的3～4倍左右。
图3是利用本发明的所测得的(a)单光克尔门和(b)级联光克尔门的时间分辨全波长探测的荧光动力学结果，全波长探测法的探测模块由单色仪和CCD组成。可以看出，在全波长探测模式中，级联光克尔门和单光克尔门的探测动力学结果基本一致
为了证实级联光克尔门的技术可靠性，进一步比较了在全波长探测模式中级联光克尔门和单光克尔门探测的动力学结果，图4是利用从图3中的全波长提取的三组单光克尔门和级联光克尔门的时间分辨单波长荧光动力学结果。提取的波长依次为(a)515nm，(b)540nm和(c)560nm。可以看出，级联光克尔门和单光克尔门的探测动力学结果是一致的。说明级联光克尔门也是一种可信的荧光探测技术，而且在灵敏度更高的单波长探测模式中，级联光克尔门由于具有更大的消光比所以拥有更高的探测信噪比。

Claims (8)

1.一种适用于荧光测量的高信噪比级联光克尔门，包括飞秒激光器(1)，其特征在于：在飞秒激光器(1)的发射光路上设有第一反射镜(2)、第一分束片(3)，第一分束片(3)将光路分成探测光路和开关光路，其中探测光路上依次设有第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、第四反射镜(6)、第一凸透镜(7)、倍频晶体(8)、400nm半波片(9)、带通滤波片(10)、荧光样品(11)、第一长通滤波片(12)、第二凸透镜(13)、第一衰减片(14)、第一偏振器(15)、第三凸透镜(16)、第一光克尔介质(17)、第四凸透镜(18)、第二偏振器(19)、第五凸透镜(20)、第二光克尔介质(21)、第六凸透镜(22)、第三偏振器(23)、短通滤波片(24)、第二长通滤波片(25)、第七凸透镜(26)、单色仪(27)、光子计数器(28)、CCD相机(29)，使荧光依次被两个级联的光克尔门选通；第一偏振器(15)的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，第二偏振器(19)的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向垂直，第三偏振器(23)的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，开关光路上依次设有800nm半波片(30)，半波片(30)用于调整泵浦光的偏振方向，调整800nm半波片使得开关光脉冲的偏振方向与水平方向成45°；第二衰减片(31)、再经过用于调节开关脉冲的光程的第一光学延时线(32)、第二分束片(33)、第二分束片(33)将开关光路分成两路，经过第二分束片(33)透射的开关光路经过第五反射镜(34)、第六反射镜(35)、第二光学延时线(36)、第七反射镜(37)、第八反射镜(38)、第八凸透镜(39)，到达光克尔介质(17)，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合；经过第二分束片(33)反射的开关光路经过第九反射镜(40)、第十反射镜(41)、第十一反射镜(42)、第九凸透镜(43)，到达光克尔介质(21)，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合；调节第一光学延时线(32)使得第一个开关光脉冲的光程和荧光在第一光克尔介质处的光程相等，调节第二光学延时线(36)使得第二个开关光脉冲的光程和荧光在第二光克尔介质处的光程相等。
2.根据权利要求1所述的一种适用于荧光测量的高信噪比级联光克尔门，其特征在于：由第一偏振器(15)、第三凸透镜(16)、第一光克尔介质(17)、第四凸透镜(18)、第二偏振器(19)、第五凸透镜(20)、第二光克尔介质(21)、第六凸透镜(22)、第三偏振器(23)构成的两个光克尔门提供了远高于传统光克尔门的消光比，克服了传统光克尔门在测量长寿命荧光时存在很大的泄露光噪声的问题，提高了荧光探测的信噪比，所用的第一和第二光克尔介质(17)、(21)的介质厚度分别为1mm和10mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种适用于荧光测量的高信噪比级联光克尔门，其特征在于：
所述的飞秒激光器(1)为含有放大器的飞秒激光系统；
所述的第一和第二分束片(3)、(33)的分束比均为1:1；
所述的第一、第二和第三衰减片(14)、(31)为中性衰减片，包括固定光学密度的中性衰减片或者可变中性密度衰减片；
所述的荧光样品(11)为盛放在厚度为2mm的比色皿中的香豆素6溶液，所用溶剂为乙二醇，浓度为10-2Mol/L；
所述的400nm半波片(9)和800nm半波片(30)为零级半波片，其材质为石英材质或BK玻璃。
4.根据权利要求1所述的一种适用于荧光测量的高信噪比级联光克尔门，其特征在于：所述的光学延时线(18)由电脑控制的精密步进移动平台和放置在精密步进移动平台上的两个相互垂直的反射镜构成，两个相互垂直的反射镜对飞秒开关脉冲光进行后向反射；精密步进移动平台对飞秒开关脉冲光的光程的进行调整，调整精度为1.5～15微米，光学延时线(18)的最小光程改变量为10～100fs。
5.根据权利要求1所述的一种适用于荧光测量的高信噪比级联光克尔门，其特征在于：所述的第一、第二和第三偏振器(15)、(19)、(23)均为棱镜偏振器或消光比大于104:1的薄膜偏振器；其中棱镜偏振器包括尼科尔棱镜偏振器、格兰泰勒棱镜偏振器或渥拉斯顿棱镜偏振器。
6.根据权利要求1中所述的一种适用于荧光测量的高信噪比级联光克尔门，其特征在于：所使用的第一和第二光克尔介质(17)、(21)为三阶非线性光学材料。
7.根据权利要求1或6所述的一种适用于荧光测量的高信噪比级联光克尔门，其特征在于：所述的光克尔介质包括二硫化碳、硝基苯、四氯化碳、苯、NMP非完全电子响应的光克尔介质。
8.一种适用于荧光测量的高信噪比级联光克尔门的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将飞秒激光器(1)出射的偏振的飞秒脉冲激光经第一分束片(3)分为两束，其中一束作为探测脉冲光，另一束作为开关脉冲光；
2)探测脉冲光经第二反射镜(4)、第三反射镜(5)、第四反射镜(6)、第一凸透镜(7)、倍频晶体(8)、400nm半波片(9)、带通滤波片(10)、荧光样品(11)、第一长通滤波片(12)、第二凸透镜(13)、第一衰减片(14)、第一偏振器(15)、第三凸透镜(16)、第一光克尔介质(17)、第四凸透镜(18)、第二偏振器(19)、第五凸透镜(20)、第二光克尔介质(21)、第六凸透镜(22)、第三偏振器(23)、短通滤波片(24)、第二长通滤波片(25)、第七凸透镜(26)、单色仪(27)、光子计数器(28)、CCD相机(29)，使荧光依次被两个级联的光克尔门选通；第一偏振器(15)的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同，第二偏振器(15)的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向垂直，第三偏振器(15)的偏振方向与探测光路中的飞秒探测脉冲光的偏振方向相同；
3)两个开关脉冲光分别经第一和第二光学延时线(32)、(36)调整其光程；
4)开关光路上依次设有半波片(30)，半波片(30)用于调整泵浦光的偏振方向，第二衰减片(31)、再经过用于调节开关脉冲的光程的第一光学延时线(32)、第二分束片(33)、第二分束片(33)将开关光路分成两路，经过第二分束片(33)透射的开关光路经过第五反射镜(34)、第六反射镜(35)、第二光学延时线(36)、第七反射镜(37)、第八反射镜(38)、第八凸透镜(39)，到达光克尔介质(17)，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合，经过第二分束片(33)反射的开关光路经过第九反射镜(40)、第十反射镜(41)、第十一反射镜(42)、第九凸透镜(43)，到达光克尔介质(21)，且开关脉冲光入射到光克尔介质内部的空间位置与飞秒探测脉冲光在光克尔介质内部的空间位置重合；
5)根据单色仪(27)上的光子计数器(28)或者CCD相机(29)接收选通的时间分辨荧光信号，利用电脑控制的精密步进移动平台控制第一光学延时线(32)移动并实时采集选通的荧光信号数据，获得两个光克尔门同时选通作用下的时间分辨荧光信号，可实现适用于超快荧光测量的高信噪比级联光克尔门。
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