CN203164119U

CN203164119U - 一种双光子吸收截面谱仪

Info

Publication number: CN203164119U
Application number: CN 201320109427
Authority: CN
Inventors: 屈军乐; 周藩; 彭孝军; 肖义; 邵永红; 张新富; 仉华; 姜娜
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2023-03-11

Abstract

本实用新型涉及双光子材料的吸收截面测量领域，具体地来说为一种双光子吸收截面谱仪，该光谱仪基于双光子诱导荧光法的自动化小型双光子吸收截面谱仪，包括依次排列处于同一光路轴线上的激光光源、调节入射激光光强的衰减片、将调节后的激光分为激发光和探测光的分光玻璃片、以及样品台，该设备基于上位机虚拟平台实现探测光功率实时反馈、步进电机同步控制入射光强、荧光光谱快速采集。具有结构简单，体积小，移动方便，操作简单，测量精度高的特点。

Description

一种双光子吸收截面谱仪

技术领域

本实用新型涉及双光子材料的吸收截面测量领域，具体地来说为一种双光子吸收截面谱仪。

背景技术

具有大的双光子吸收截面的材料目前已被广泛用于双光子荧光显微成像、光学限幅、三维光信息存储及光子晶体微加工等领域，关于双光子吸收截面的测量方法也开展了大量的研究工作。在过去四十多年中，已报道了多种双光子吸收截面测量方法，包括非线性透过率法（Nonlinear Transmission,NLT）、Z-扫描法、双光子诱导荧光法（Two-photon Induced Fluorescence,TPIF）、双光子瞬态吸收光谱法等。双光子瞬态吸收光谱法由泵浦探测瞬态吸收光谱法发展而来，虽然具有时间分辨能力，但其测试双光子吸收截面精度不高，且实验操作较为复杂。非线性透过率法实验装置简单、测量方便、数据处理容易；Z-扫描法灵敏度高、单光束测量，但这两种方法都有一个共同的缺点，它们很难准确地判定是否发生了其它非线性过程并加以排除，而双光子诱导荧光法却能很好地解决这个问题，因此双光子诱导荧光法可用于荧光染料双光子吸收截面的精确测量。然而，大多数研究报道仅给出了测量方法，关于仪器开发方面的研究却少有报道。

实用新型内容

针对现有技术中存在的上述不足之处，本实用新型要解决的问题在于提供一种双光子吸收截面谱仪。

本实用新型采用如下的技术方案：

本实用新型提供了一种双光子吸收截面谱仪，该谱仪包括依次排列处于同一光路轴线上的激光光源、调节入射激光光强的衰减片、将调节后的激光分为激发光和探测光的分光玻璃片、以及样品台；该谱仪还包括：

位于激发光入射方向的功率计，用于检测探测光的功率；

接受样品所激发的荧光信号的光谱仪，所述光谱仪与光路垂直；

上位机，通过接口与光谱仪连接，存储处理光谱仪上的光谱数据。

进一步地，衰减片置于一旋转装置上，该旋转装置与步进电机连接，由步进电机控制衰减片的旋转角度；所述步进电机通过一控制模块与上位机连接。

进一步地，所述功率计通过一功率采集模块与上位机连接。

进一步地，所述激光光源为钛宝石锁模飞秒激光器，激光脉宽为100fs，重复频率为80MHz，波长调谐范围为690-1040nm。

进一步地，分光玻璃片与样品台之间设置有消色差透镜，用于消除激发光中的色差。

进一步地，激光光源与衰减片之间设置有第一孔径光阑；样品台的另一侧设置有第二孔径光阑，用于谱仪内部光路准直，若光同时通过第一孔径光阑和第二孔径光阑的小孔，则说明光路水平。

本实用新型测量的原理如下所示：

双光子吸收过程是指一个分子或原子同时吸收两个光子，通过一个中间虚能态，从基态跃迁到激发态的过程。处于激发态的分子或原子在从激发态跃迁到基态时，将引起各种非线性效应，如荧光辐射、受激发射、激发态吸收、拉曼散射、自相位调制等。在测量双光子吸收截面时，这些非线性效应会影响荧光信号，并最终影响测量结果。然而在双光子诱导荧光法中，可以轻易地消除这些非线性效应的干扰，这是因为，（1）荧光测量中所需的入射光强和溶液浓度通常要比非线性透过率法分别低1到3个数量级，因此相比于双光子吸收，其它非线性效应的贡献将大大减小；（2）若只有双光子吸收，而没有其它非线性效应，荧光光强与激发光强的平方成正比，因此可以很容易地判断荧光测量是否受其它非线性效应的影响，从而把双光子诱导荧光和其它非线性效应产生的信号（如拉曼散射、受激辐射等）区分开来。因此在各种有机荧光材料测量方法中，双光子诱导荧光法所测得的双光子吸收截面值最准确。

双光子诱导荧光强度Fi的表达式为：

F_{i} = K \frac{F_{i}}{2} N_{i} d_{i} {LI}^{2} . . . (1)

其中F_i为量子效率，N_i为荧光团密度，d_i为双光子吸收截面，L为样品的通光长度，I表示入射光强度，K是一个无量纲常数，它与光学装置的几何形状、荧光收集效率以及自吸收修正系数有关。

在相同实验条件下，两种溶液的双光子吸收截面的比值为：

\frac{d_{2}}{d_{1}} = \frac{K_{1}}{K_{2}} \frac{F_{1}}{F_{2}} \frac{N_{1}}{N_{2}} \frac{F_{2}}{F_{1}} . . . (2)

在相同的实验系统中，K值只受溶液折射率n的影响，故Kn，荧光团密度N_i=N_A·C_i·V，。其中NA为阿伏伽德罗常数，Ci为溶液溶度，V为溶液体积。所以双光子吸收截面比值可表示为：

\frac{d_{2}}{d_{1}} = \frac{n_{1}}{n_{2}} \frac{F_{1}}{F_{2}} \frac{c_{1}}{c_{2}} \frac{F_{2}}{F_{1}} . . . (3)

即

d_{2} = d_{1} \frac{n_{1}}{n_{2}} \frac{F_{1}}{F_{2}} \frac{c_{1}}{c_{2}} \frac{F_{2}}{F_{1}} . . . (4)

若溶液1在某波长下的双光子吸收截面d₁已知，则据（4）式可求得待测样品2在对应波段的双光子吸收截面d₂。当然，这种比较法要求两次荧光测量过程中荧光的收集效率保持不变。

本实用新型具有如下的优点和有益效果：

本设备结构简单，体积小，移动方便，操作简单，测量精度高，实现了功率实时反馈、步进电机同步控制，能为荧光有机材料研究提供一个很好的双光子吸收截面测量平台；

本实用新型通过测量两种已知双光子吸收截面的标准染料罗丹明B及荧光素的吸收截面，证明本实用新型测量精度高，误差小。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图中序号：1激光光源，2第一孔径光阑，3衰减片，4步进电机，5分光玻璃片，6消色差透镜，7样品台，8第二孔径光阑，9功率计，10光谱仪，11上位机，12控制模块，13功率采集模块。

具体实施方式

下面结合附图以及实施例对本实用新型进行详细地说明：

实施例

如图1所示，本实用新型提供的一种双光子吸收截面谱仪，包括依次排列处于同一光路轴线上的激光光源1、调节入射激光光强的衰减片3、将调节后的激光分为激发光和探测光的分光玻璃片5、以及样品台7；同时该谱仪还包括：位于激发光入射方向的功率计9，用于检测探测光的功率；接受样品所激发的荧光信号的光谱仪10，光谱仪10与光路垂直，本实施例中采用微型荧光光谱仪（USB4000，Ocean Optics）；上位机11，通过接口与光谱仪10连接，存储处理光谱仪上的光谱数据。本实施例中激光光源为钛宝石锁模飞秒激光器，激光脉宽为100fs，重复频率为80MHz，波长调谐范围为690-1040nm。

衰减片3置于一旋转装置上（未在附图中体现），该旋转装置与步进电机4连接，由步进电机4控制衰减片的旋转角度；而步进电机4通过一控制模块12与上位机11连接。由上位机11控制步进电机的转动的角度，进而达到控制衰减片的旋转角度，通过控制衰减片的旋转角度调节激光光源的入射激光光强。

功率计9通过一功率采集模块13与上位机11连接，功率计9用于检测探测光的功率，并将检测的功率通过功率采集模块13传递给上位机11，上位机11中根据同波长、不同功率及同功率、不同波长下激发光与探测光功率的比值或者关系，从而计算出激发光的功率。

分光玻璃片5与样品台7之间设置有消色差透镜6，用于消除激发光中的色差。本实施例中消色差透镜6的焦距为100mm。

为了控制激光光源发出的入射光光斑的大小，在激光光源和衰减片之间设置有第一孔径光阑2。并在样品台的另一侧即光路的末端设置有第二孔径光阑8，第一孔径光阑2与第二孔径光阑8共同作用下用于谱仪内部光路准直，若光同时通过第一孔径光阑2和第二孔径光阑8的小孔，则说明光路水平。

本实用新型的工作过程或原理如下所示：

以激光光源800nm时的平均输出功率为2.98W为例，衰减片由步进电机控制调节入射激光光强，激光经过分光玻璃片后分成两路，一路光激发样品称为激发光，另一路为探测光。通过对分光玻璃片在同波长、不同功率及同功率、不同波长下激发光与探测光功率的比值的测定。得出对于相同波长，激发光与探测光功率比值保持恒定。根据不同波长下激发光与探测光的比值及其拟合曲线。利用所得到的拟合公式，在实验中可输入相应的光波长及所需的激发光功率，即可得出所需探测光的功率，根据所需要的探测光的功率，上位机通过功率采集模块得到功率计当前探测光的功率，然后跟所需值进行比较，当与所需值不同时，上位机通过控制模块控制步进电机调节衰减片的旋转角度，直到与所需值相同为止。待达到所需功率后，启动光谱仪进行采集荧光，从分光玻璃片分出来的激发光由焦距为100mm的消色差透镜聚焦到装有待测样品的样品台上（石英比色皿），样品发出的荧光信号由与光路垂直的微型荧光光谱仪，采集的光谱曲线积分面积正比于荧光强度F，可用于接下来的数据处理，然后传递给上位机上进行处理。

本实用新型对选取已知双光子吸收截面值的罗丹明B和荧光素为标准样品，实验测量中所用双光子荧光染料分别是浓度为4.01·10-4mol/L的罗丹明B的甲醇溶液和浓度为3.97·10-4mol/L的荧光素NaOH水溶液（PH=11）。实验时所选激发光功率范围为20-150mW，间隔为10mW，从检测数据可知罗丹明B甲醇溶液的激发光功率可选20-70mW，荧光素NaOH水溶液的激发光功率可以选20-110mW，因此本实验选用70mw作为实验所用的入射光功率，在双光子吸收截面测量实验中保证不同波长、不同样品下入射光功率都为70mW。

对于所有实验过程，系统的荧光收集效率及入射光光斑大小都保持不变，故使用比较法求取双光子吸收截面。以荧光素为标准样品，比较得出待测样品罗丹明B的双光子吸收光谱，计算公式为公式（4）。

一切实验条件不变的情况下，用840nm，70mW激发光激发样品，对10个相同溶度待测样品测量，得到10组实验数据，分析误差，所得结果与其它文献结果进行比较，精度度高，误差小。

本实用新型的实验验证了自动化小型双光子吸收截面谱仪的可行性，本实用新型采用的光元件少，体积小，移动方便，操作简单，能为荧光有机材料研究提供一个很好的双光子吸收截面测量平台。

Claims

1.一种双光子吸收截面谱仪，其特征在于，该谱仪包括依次排列处于同一光路轴线上的激光光源、调节入射激光光强的衰减片、将调节后的激光分为激发光和探测光的分光玻璃片、以及样品台；该谱仪还包括：

位于激发光入射方向的功率计，用于检测探测光的功率；

2.按照权利要求1所述的双光子吸收截面谱仪，其特征在于，衰减片置于一旋转装置上，该旋转装置与步进电机连接，由步进电机控制衰减片的旋转角度；所述步进电机通过一控制模块与上位机连接。

3.按照权利要求1所述的双光子吸收截面谱仪，其特征在于，所述功率计通过一功率采集模块与上位机连接。

4.按照权利要求1所述的双光子吸收截面谱仪，其特征在于，所述激光光源为钛宝石锁模飞秒激光器，激光脉宽为100fs，重复频率为80MHz，波长调谐范围为690-1040nm。

5.按照权利要求1所述的双光子吸收截面谱仪，其特征在于，分光玻璃片与样品台之间设置有消色差透镜，用于消除激发光中的色差。

6.按照权利要求1所述的双光子吸收截面谱仪，其特征在于，激光光源与衰减片之间设置有第一孔径光阑；样品台的另一侧设置有第二孔径光阑。