CN1794079A - 飞秒时间分辨的荧光亏蚀系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于飞秒激光及其光电技术用于凝聚相体系超快动力学研究领域，特别涉及飞秒时间分辨的荧光亏蚀系统。本发明的系统主要由激光光源部分、倍频部分、分束合束部分、时间延迟部分、偏振调节部分、样品部分、荧光收集和探测部分、锁相放大部分、控制采样部分组成。本发明的系统通过两束间隔时间可调的飞秒脉冲激光先后作用于样品，观察样品的荧光随间隔时间的变化，从而研究样品分子的激发态的超快动力学行为。本发明较之现有的相关研究方法具有高灵敏度，结构简单，光源要求低，可研究的过程更多等特点，同时可实现简单的化学反应的人工量子控制，是现代超快光谱技术中比较有特色的技术之一。
Description
技术领域
本发明属于飞秒激光及其光电技术用于凝聚相体系超快动力学研究领域，特别涉及飞秒时间分辨的荧光亏蚀系统。
背景技术
飞秒激光(1飞秒等于1千万亿分之一秒)具有超快的时间分辨本领、超强的峰值功率、超宽的调谐范围。已经能对快至分子及其内部原子甚至电子的运动进行捕捉和记录，在此基础上人们发展出了多种时间分辨光谱技术。如现代飞秒化学常用的泵浦-探测技术：将一束飞秒激光分成两束，利用一组反射镜使它们之间产生光程差，从而产生延迟，用先到的那束光(泵浦光)去激发分子使它发生化学反应，而用另一束光(探测光)去探测产物或过渡态。检测方法有很多，可以激发产物或过渡态使之产生荧光；也可以计算探测光被样品的衰减或吸收；或者还可以用质谱直接检测反应产物或过渡态。这样就可以通过改变两束光的光程差(延时)得到反应过程中物种变化的细节，也就是化学反应的动力学信息。
实时观测反应还不是现代化学家的最终目的，能够人为的控制化学反应按照人们所希冀的方向发展才是多少代化学家们的梦想所在。近年来量子控制化学、超高速光电子学等逐渐引起人们的重视。其中“量子控制化学”研究分子、原子的强场量子控制、可编程波函数工程等，化学反应的相干控制也已成为可以预期的事。很多化学反应并非只沿一个方向进行，而是同时有很多个通道(反应方向)存在竞争。利用飞秒激光脉冲序列，人们已经可以在一定程度上控制化学反应进行的方向、选择反应物初态、优化发应的产率等等。
发明内容
本发明的目的是提供一种飞秒时间分辨的荧光亏蚀系统。
荧光亏蚀现象的基本原理是：处于基态的分子被一束超短脉冲激光瞬时(耗时几个飞秒左右)激发到较高激发态或激发态的较高振动能级以后，经过一系列辐射或者非辐射过程(耗时几十到几千飞秒左右)落到激发态的最低振动态，然后缓慢持续发射自发荧光而回到基态(耗时几千到几百万飞秒甚至更长)，这里面包含了很多分子激发态超快过程的动力学信息。在这些过程中如果用另一束发射时间精确可控的超短脉冲激光去作用于尚未回到基态的分子，有可能使其一部分发生受激辐射回到基态或者再吸收跃迁到更高激发态，从而影响自发荧光的强度(一般是变弱)。根据自发荧光强度由第二束激光导致的改变量和第二束激光相对于第一束激光的延迟时间之间的关系来研究激发态的超快动力学即为时间分辨荧光亏蚀技术，如果两束激光的脉冲时间宽度和两者之间的可以实现的最短延迟时间都是在飞秒量级上，则称为飞秒时间分辨荧光亏蚀技术。
飞秒时间分辨荧光亏蚀实现系统的基本原理是：将一束飞秒激光经倍频后分成两束波长不同的相干的飞秒激光，并利用光学延迟线来改变两束飞秒激光之间的光程差，使其先后作用于样品上，观察样品由第一束较短波长的激光激发所产生的荧光受后一束激光影响导致的衰减程度，即为荧光亏蚀信号。由电脑控制光学延迟线来连续改变光程差，从而得到荧光亏蚀信号与两束光之间光程差(延迟时间)的关系，通过分析就能解析出激发态超快动力学信息。
本发明的飞秒时间分辨的荧光亏蚀系统主要由激光光源部分、倍频部分、分束合束部分、时间延迟部分、偏振调节部分、样品部分、荧光收集和探测部分、锁相放大部分、控制采样部分组成。如图1所示，实线为光路，虚线为信号采集和控制电缆，箭头方向为信号送达或控制命令传输方向。
本发明的飞秒时间分辨的荧光亏蚀系统：
沿光束传播的方向，一飞秒振荡级激光器1的前方安装有一非线性晶体2，在非线性晶体2前后分别安装有一透镜，两透镜在非线性晶体2一侧的焦点都在非线性晶体2处；
一长通双色镜3，其正面接收来自非线性晶体2前面透镜的透射光，在长通双色镜3的正面反射光路上安装有反射镜a，接收长通双色镜3正面的反射光，在长通双色镜3的背面透射光路上安装有一反射镜c，接收长通双色镜3背面的透射光，在反射镜a的反射光路上安装有一反射镜b，反射镜b接收反射镜a的反射光；
一光学延迟线4，由反射镜d和反射镜e构成，反射镜d接收来自反射镜c的反射光，反射镜e接收来自反射镜d的反射光，在反射镜e的反射光路上安装有一反射镜f，反射镜f接收来自反射镜e的反射光，由反射镜c到反射镜d的光路完全平行于反射镜e到反射镜f的光路，光学延迟线4的推进步进电机通过导线由电脑13控制；
一长通双色镜6，其正面接收来自反射镜b的反射光，其背面接收来自反射镜f的反射光；
在反射镜a与反射镜b之间的光路上安装有一零级半波片7，在反射镜f与长通双色镜6的背面之间的光路上安装有一零级半波片5，在长通双色镜3的背面与长通双色镜6的背面之间的光路上的任意位置安装有一斩波器12；
在长通双色镜6的出射光路，即同时是正面反射光路和背面透射光路上安装有一透镜，在其前焦点处安装有一方型样品池8，方型样品池8侧面安装有透镜，在其透射光路上安装有一单色仪9，在单色仪9的出射狭缝上安装有光电倍增管10，光电倍增管10的输出端通过导线与一锁相放大器11的待测信号输入端相连通，锁相放大器11的参考信号输入端与斩波器12的信号输出端通过导线相连接，锁相放大器11的信号输出端与电脑13通过导线相连接。
所述的方型样品池8与单色仪9之间的透镜可以是一个透镜或一组两个共轴透镜，如果是一个透镜，则其后焦点在方型样品池8中，前焦点在单色仪9的入射狭缝上，如果是两个透镜，则其中靠近方型样品池8的透镜后焦点在方型样品池8中，靠近单色仪9的透镜前焦点在单色仪9入射狭缝上。
本发明属于广义的泵浦-探测技术(系统)，是一种研究受扰动的激发态演变动力学的有效手段，同时降低了对激光器的要求(不需要飞秒放大级激光器)，可以很好的解决其它飞秒探测技术中不能解决的问题，研究更多的激发态超快过程，同时它的灵敏度也要比传统的荧光上转换方法高1～2个数量级，具有偏振分辨能力，可研究超快各向同性和各向异性现象，是现代超快光谱技术中比较有特色的技术之一。而且从本质上来说本发明还是一种化学反应的量子控制技术：通过第一束激光(泵浦光)激发反应物跃迁到激发态，当其面临多个反应通道的选择时，马上用第二束激光(探测光)去人为地扰动激发态的布居，依靠调节控制光的波长、脉冲宽度、偏振、强度、延时等参量来选择性的引导反应物激发态分子向人们期望的通道弛豫、跃迁，从而得到与天然产物完全不同的产物或者有针对性的改变某种预期产物的产率，即实现了量子级别的化学反应的人工控制。
附图说明
图1.本发明的飞秒时间分辨的荧光亏蚀系统示意图。
图2.本发明实施例1的荧光亏蚀信号对延迟时间依赖关系图(激光染料LDS751的二甲亚砜溶液)。
附图标记
1.飞秒振荡级激光器 2.非线性晶体 3.长通双色镜
4.光学延迟线 5.零级半波片 6.长通双色镜
7.零级半波片 8.方型样品池 9.单色仪
10.光电倍增管 11.锁相放大器 12.斩波器
13.电脑
具体实施方式
实施例1.
飞秒振荡级激光器1发出的飞秒激光经非线性晶体2倍频。产生的倍频光和基频光经过45°长通双色镜3被分成两束，其中倍频光被反射，基频光被透射。透过的基频光经过光学延迟线4产生光学延迟之后，被零级半波片5旋转到需要的偏振方向在长通双色镜6上面与反射的倍频光(同样被零级半波片7旋转到需要的偏振方向)又合为一束同向共线作用在方型样品池8所盛的待研究样品上。其中的倍频光激发样品，而其中的基频光扰动样品。从侧面收集样品所产生的荧光进到单色仪9，然后被光电倍增管10探测，将荧光强度信号送至锁相放大器11，调制基频光束的斩波器12提供的参考信号也送至锁相放大器11。锁相放大器11根据参考信号放大荧光强度信号中和参考信号同频同相位的成分作为荧光亏蚀信号输出至电脑13处理记录，光学延迟线4也由电脑13控制。改变光学延迟，得到荧光亏蚀信号和光学延时之间的关系，即获得了分子激发态超快动力学的信息。利用非线性和频方法以及双光子荧光方法获得该系统的时间分辨零点和响应函数。将样品放在该系统的样品池8中，利用该系统对激光染料LDS751的二甲亚砜溶液进行测试，获得荧光亏蚀信号对延迟时间的依赖关系图，见图2所示。
Claims (2)
1.一种飞秒时间分辨的荧光亏蚀系统，其特征是：
沿光束传播的方向，一飞秒振荡级激光器(1)的前方安装有一非线性晶体(2)，在非线性晶体(2)前后分别安装有一透镜，两透镜在非线性晶体(2)一侧的焦点都在非线性晶体(2)处；
一长通双色镜(3)，其正面接收来自非线性晶体(2)前面透镜的透射光，在长通双色镜(3)的正面反射光路上安装有反射镜a，接收长通双色镜(3)正面的反射光，在长通双色镜(3)的背面透射光路上安装有一反射镜c，接收长通双色镜(3)背面的透射光，在反射镜a的反射光路上安装有一反射镜b，反射镜b接收反射镜a的反射光；
一光学延迟线(4)，由反射镜d和反射镜e构成，反射镜d接收来自反射镜c的反射光，反射镜e接收来自反射镜d的反射光，在反射镜e的反射光路上安装有一反射镜f，反射镜f接收来自反射镜e的反射光，由反射镜c到反射镜d的光路完全平行于反射镜e到反射镜f的光路，光学延迟线(4)的推进步进电机通过导线由电脑(13)控制；
一长通双色镜(6)，其正面接收来自反射镜b的反射光，其背面接收来自反射镜f的反射光；
在反射镜a与反射镜b之间的光路上安装有一零级半波片(7)，在反射镜f与长通双色镜(6)的背面之间的光路上安装有一零级半波片(5)，在长通双色镜(3)的背面与长通双色镜(6)的背面之间的光路上的任意位置安装有一斩波器(12)；
在长通双色镜(6)的出射光路，即同时是正面反射光路和背面透射光路上安装有一透镜，在其前焦点处安装有一方型样品池(8)，方型样品池(8)侧面安装有透镜，在其透射光路上安装有一单色仪(9)，在单色仪(9)的出射狭缝上安装有光电倍增管(10)，光电倍增管(10)的输出端通过导线与一锁相放大器(11)的待测信号输入端相连通，锁相放大器(11)的参考信号输入端与斩波器(12)的信号输出端通过导线相连接，锁相放大器(11)的信号输出端与电脑(13)通过导线相连接。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征是：所述的方型样品池(8)与单色仪(9)之间的透镜是一个透镜或一组两个共轴透镜，当一个透镜时，则其后焦点在方型样品池(8)中，前焦点在单色仪(9)的入射狭缝上，当是两个透镜，则其中靠近方型样品池(8)的透镜后焦点在方型样品池(8)中，靠近单色仪(9)的透镜前焦点在单色仪(9)入射狭缝上。
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