DD213301A1

DD213301A1 - PHASENFLUOROMETER

Info

Publication number: DD213301A1
Application number: DD24730383A
Authority: DD
Inventors: Klaus Berndt
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1983-01-18
Filing date: 1983-01-18
Publication date: 1984-09-05

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der zeitaufgeloesten Fluoreszenzspektroskopie im Nanosekunden- und im Picosekundenbereich. Die Anwendung ist in Phasenfluorometern auf der Basis modensynchronisierter cw-Laser moeglich und zweckmaessig. Ziel der Erfindung ist, phasenfluorometrische Messungen in einem sehr grossen Modulationsfrequenzbereich mit relativ geringem Frequenzabstand durchfuehren zu koennen. Die Aufgabe besteht darin, eine Phasenfluorometeranordnung anzugeben, in d. die Anregungslichtquelle mit Frequenzen zwischen einigen zehn MHz und ca. 1500 MHz moduliert ist, und der Frequenzabstand einige zehn MHz betraegt. Der Impulszug eines modensynchronisierten cw-Lasers wird mittels eines externen Intensitaetsmodulators phasenmaessig optimiert mit Subharmonischen der Impulsfolgefrequenz des Lasers moduliert.The invention relates to the field of time-resolved fluorescence spectroscopy in the nanosecond and in the picosecond range. The application is possible and expedient in phase fluorometers based on mode-locked cw lasers. The aim of the invention is to be able to carry out phase fluorometric measurements in a very large modulation frequency range with a relatively small frequency spacing. The object is to provide a Phasenfluorometeranordnung, in d. the excitation light source is modulated with frequencies between a few tens of MHz and about 1500 MHz, and the frequency spacing is several tens of MHz. The pulse train of a mode-synchronized cw laser is modulated by means of an external intensity modulator phase-optimized with subharmonics of the pulse repetition frequency of the laser.

Description

Dr* Klaus Berndt Berlin, den .9. 12. 1932Dr * Klaus Berndt Berlin, the .9. 12th 1932

Z-j.s tellungsbevollmächtigt;Z-j.sichtungsbevollmächtigt;

'Akademie der Wissenschaften der DDH Zentralinstitut für Optik und Spektroskopie - Patentbüro'Academy of Sciences of the DDH Central Institute of Optics and Spectroscopy - Patent Office

1199 Beriin-Adlershof, Rudower Chaussee δ1199 Beriin-Adlershof, Rudower Chaussee δ

Pha s e nf 1 ii ο r ora e t e rPha s e f 1 ii ο r ora e t e r

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung besieht sich auf das Gebiet der zeitaufgelosten fluoreszenzspektroskopie im TTanosekünden™ und im Picosekundenbereicho Die Anwendung ist in Phasenfluorornetern au? der Basis rnodensynchronisierter kontinuierlich arbeitender Laser möglich und zweckmäßig«The invention relates to the field of time-resolved fluorescence spectroscopy in TTanosekünden ™ and in the picosecond range. The application is in Phasenfluorornetern au? the basis of rode-synchronized, continuously operating laser possible and expedient «

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Pur die untersuchung von Fluoreszenzprozessen haben Phasenfluorometer breite Anwendung gefunden-, In Pnasenfluorometern wird die Probe in der Regel mit sinusförmig moduliertem Licht angeregt« Das Pluoressenzlicht ist ebenfalls sinusförmig moduliert,, weist aber gegenüber dsr Anregungsstrahlung eine Phasenverschiebung auf₉ aus der die Fluoreszenz-Abklingzeit berechnet werden kann« Zur Gewinnung aussagekräftiger Meßdaten ist es erforderlich^ einen großen Modulationsfrequenzbereich zu überstreichen* Mr Untersuchungen an Substanzen mit Abklingzeiten im Picosekundenbereich sind darüber hinaus Modulationsfrequensen größer 100 IvIHz wünschenswert, da sie hohe Meßgenauigkeiten ermöglichen» Die Realisierung sinusförmiger Intensitätsmodulation in einem großen Frequenzbereich und bei sehr hohen Frequenzen bereitet in der Praxis erhebliche Schwierigkeiten, Gewöhnlich nutzt man elektrooptisch^ Modulatoren [Haar> H₅, P₄ u,a_s, Chem, Phys«, Lett, £9_S 5δ3 (1977)]« Diese Modulatoren haben den Sacirteil, daß sie große Modulationsapannungen benötigen,, Bine Durch-» Stimmung über größere Frequenzbereiche ist daher mit hohem Aufwand ve.rbunden* -Außerdem besteht die Gefahr^ daß ein Anteil des Modulationssignals abgestrahlt wird und im Detektorsystem zu Meßfehlern führt,»In pnase fluorometers, the sample is usually excited with sinusoidally modulated light. "Pluoressenzlicht is also sinusoidally modulated, but exhibits a phase shift to ₉ from the excitation radiation, which calculates the fluorescence decay time In order to obtain meaningful measurement data it is necessary to cover a large modulation frequency range. In addition, modulation frequencies greater than 100 IvIHz are desirable for substances with cooldowns in the picosecond range, since they allow high measurement accuracies. The realization of sinusoidal intensity modulation in a large frequency range and Very high frequencies are of considerable difficulty in practice. Usually electro-optic modulators are used [Haar> H ₅ , P ₄ u, a _s , Chem, Phys, Lett, £ 9 _S 5δ3 (1977)] "These M Oscillators have the Sacirteil that they need large modulation voltages ,, Bine Durch- »Mood over larger frequency ranges is therefore ve.rbunden with great effort * -Also there is the danger ^ that a portion of the modulation signal is emitted and in the detector system leads to measurement errors,»

Es sind auch Phasenfluorometer bekannt geworden^ in denen modensynchronisierte ew-Laser als Anregungslichtquelle dienen, [Berndt, K₀τι·&», Opt_e Conanun. 42_? 419 (1982)]« Diese Laser emittieren im zeitlichen Abstand T = 2L/c ultrakur-ze Lichtimpulse und stellen eine Lichtquelle dar₉ die gleichzeitig mit der Impulsfoigefrequenz. i - 1/T= c/2L und ganzzahligen Vielfachen davon moduliert ist_e Nachteilig ist Merbei_s daß die kleinste Modnlationsfrequenz schon sehr hoch liegt und der Abstand aufeinanderfolgender Frequenzen sehr groß ist, So beträgt beispielsweise für einen Laser von 120 cm Länge die Impulsfolgefrequens 125 MHz, und der Frequenzabstand ist ebenfalls 125 MHz« Mr die Messung von Abklingzeiten im Nanosekiindenbereloh ist dies aehr ungünstig,, da infolge derPhase fluorometers have also become known, in which mode-synchronized ew lasers serve as excitation light sources, [Berndt, K ₀ τι · & », Opt _e Conanun. 42 _? 419 (1982)] "These lasers emit ultra-short pulses of light at a time interval T = 2L / c and constitute a light source ₉ simultaneously with the pulse train frequency. i - 1 / T = c / 2L and integer multiples modulated thereof _e is disadvantageous Merbei _s that the smallest Modnlationsfrequenz is already very high and the distance between successive frequencies is very large, way of example, for a laser of 120 cm length, the Impulsfolgefrequens 125 MHz, and the frequency spacing is also 125 MHz "Mr the measurement of decay times in Nanosekiindenbereloh this is very unfavorable, since due to the

hohen Frequenzen der Modulationsgrad des Fluoressenslichtes sehr klein wird_s und dadurch die Meßgenauigkeit sinkt_β Auch für Substanzen mit Abklingzeiten im Piooaekiindenberelch erweist sich, wegen dos großen Frequensabstandes diese Methode als nicht optimal. Sine Verringerung der Jmpulsfolgefrsquens wäre durch Vergrößern der Laserlänge L möglich, doch führt dies au neuen Schwierigkeiten bezüglich der Anforderungen an die mechanische und thermische Stabilität des Resonators«, Die größten kommerziell verfügbaren Laser haben Resonatorlängen von ca« 180 cm. Einerseits bedeutet das keinen entscheidenden Gewinn hinsichtlich des erwünschten Effektes,, andererseits geben laser dieser Länge Lichtleistungen ab₉ die für Phaseni'luorometer viel zu groß sind«high frequencies, the modulation degree of fluorine food light _s is very small and thereby the measurement accuracy decreases _β also for substances with decay times in Piooaekiindenberelch turns out, because dos large Frequensabstandes this method less than ideal. Reducing the pulse repetition rate would be possible by increasing the laser length L, but this introduces new difficulties in the requirements for the mechanical and thermal stability of the resonator. The largest commercially available lasers have resonator lengths of about 180 cm. On the one hand, this does not mean a decisive gain in terms of the desired effect, on the other hand, lasers of this length emit light outputs ₉ which are much too large for phase Io-fluorometers. "

Ziel der ErfindungObject of the invention

Ziel der Erfindung Ist₃ phasenfluorosietrische Messungen in einem sehr großen Modulationsfrequenzbereich und mit relativ geringem Prequenzabstand durchführer, zu könneruObject of the invention is ₃ phasenfluorosietrische measurements in a very large modulation frequency range and with relatively low Prequenzabstand execution, to könneru

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde „, eine Phasenflnorometerariorämmg anzugebeil., in der die Anregungslichtquelle mit Frequenzen zwischen einigen zehn JS-Ia und ca, 1500 MHz moduliert Ist₉und der Abstand der Modulationsfrequenzen einige zehn MHz beträgt«The object of the invention is to provide a phase fluorometer array in which the excitation light source is modulated with frequencies between a few tens JS-Ia and about 1500 MHz. ₉ and the spacing of the modulation frequencies is several tens of MHz.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß als Anregungslichtquelle ein modensyBchronisierter cw-laser vorhanden iat_a. Im Strahlengang des Lasers ist die fluoreszierende Probe angeordnet j deren Pluoressenzllcht über ein optisches System auf einen Photodetektor gelangt_s an dessen Ausgang ein frequenz» selektives Voltmeter angeschlossen ist, Im Strahlengang des Lasers befindet sich vor der fluoreszierenden Probe ein erster Strahl teiler zur Ablenkung eines kleinen Anteils der Strahlung über ein variables Graufilter^ eine· variable op ti·=»The object is achieved in that as an excitation light source a modensyBchronisierter cw laser present iat _a . In the beam path of the laser, the fluorescent sample is arranged j Pluoressenzellcht passes through an optical system to a photodetector _s at the output of a frequency »selective voltmeter is connected, In the beam path of the laser is in front of the fluorescent sample, a first beam splitter for deflecting a small Proportion of radiation via a variable gray filter ^ a variable op ti = »

sehe Verzö'gerungseinheit und einen Umlenkspiegel auf den Photo detektor„ .see Verzö'gerungseinheit and a deflection mirror on the photo detector ".

Erfindungsgeoiäß ist im Strahlengang des Lasers vor dem ersten Strahl teil er ein zweiter Strahl teil er angeordnet«, über den ein Anteil der Strahlung auf einen Hilfs-Photodetektor gelangt., dessen Ausgang über eine variable elektrische Verzögerungs» einheit5 einen Frequenzteiler und einen frequenzselektiven Verstärker mit dem Eingang eines optischen Intenaitätsmodula=· tors verbunden ist, der sich im Strahlengang des Lasers zwischen den beiden Strahlteilern befindet_e Im Betrieb bewirkt der mit' einer Subharmonischen der Impulsfolge frequenz betriebene Intensitätsmodulator eine periodische Modulation der Laserimpulsleistungen* Die Anregungsstrahlung ist infolgedessen mit der Modulationsfrequenz des Modulators und mit" ganszahligen Vielfachen davon moduliert-, Da die Intensitätsmodulation mit einer Subharmonisehen der Impulsfolgefrequenz erfolgt_s erreicht man entsprechend kleinere Modulationsfrequenzen und Frequenzabstände₀ Sine Variante der Erfindung besteht darin« daß im 'Falle aktiv modensynchroniaierter cw-Laser in der Ansteuerleitung für den Mode-Locksr ein Signalkoppler angeordnet ist_s dessen Koppelausgang rait dem Eingang dar variablen elektrischen Verzögerungseinheit verbunden ist₉ According to the invention, a second beam part is disposed in the beam path of the laser before the first beam part, through which a portion of the radiation arrives at an auxiliary photodetector, whose output via a variable electrical delay unit 5 has a frequency divider and a frequency-selective amplifier is connected to the input of an optical Intenaitätsmodula = · catalyst which is located in the beam path of the laser between the two beam splitters _e in operation causes the with 'a subharmonic of the pulse train frequency-operated intensity modulator is a periodic modulation of the laser pulse powers * the excitation radiation is as a result at the modulation frequency of the Modulators and modulated with "integer multiples of it, since the intensity modulation takes place with a Unterharmonisehen the pulse repetition frequency _s one reaches correspondingly smaller modulation frequencies and frequency separations ₀ Sine variant of the invention is there" da In the case of an active mode-synchronized cw laser, a signal coupler is arranged in the control line for the mode lock _s whose coupling output is connected to the input of the variable electrical delay unit ₉

Ausführungsbeispielembodiment

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausfuhrungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung ist das Schema des Phasenfluorometers dargestellt«, Als Aiiregungslichtquelle dient ein modensynchronisierter cw-Laser L* Im Strahlengang des lasers L ist die fluoreszierende Probe 3? angeordnet-, deren Pluoreszenzlieht über ein optisches .Svstem aus zwei Linsen LI und L2 mit dazwischen befindlichem Polarisator ? und Wellenlängenfilter· W auf einen Photodetektor D gelangt_s an dessen.Ausgang ein frequensselektives Voltmeter SM angeschlossen ist«. Im Strahlengang des Lasers L befindet sich vor der Probe ¥ ein erster Strahl-The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. The schematics of the phase fluorometer are shown in the accompanying drawing. "A mode-synchronized cw laser L * serves as calibration light source. In the beam path of the laser L is the fluorescent sample 3? arranged, the Pluoreszenzlieht an optical .Svstem of two lenses LI and L2 with polarizer located therebetween? and wavelength filter · W passes to a photodetector D _s whose.Ausgang a frequency-selective voltmeter SM is connected «. In the beam path of the laser L is located before the sample ¥ a first beam

teiler T1 zur Ablenkung eines kleinen Anteils der Strahlung über ein variables Graufilter Q₉ eine variable optische Ver™ zögerungseinheit CV und einen Umlenkspiegel S auf den Photo-» detektor D«divider T1 for deflecting a small portion of the radiation via a variable gray filter Q _9, a variable optical delay unit CV and a deflection mirror S onto the photodetector D <<

Im Strahlengang des Lasers L ist vor dem ersten Strahlteiler T1 ein aweiter Strahlteiler T2 angeordnet^ über den ein Anteil der Strahlung auf einen Hilfs-Photodete-ktor HD gelangt_s dessen Ausgang über eine variable elektrische Verzögerungseinheit EV, einen Frequenzteiler FT und einen frequensselektiven Verstärker SV mit dem Eingang eines optischen Int ens!-«* tätsmodulators M verbunden lst_? der sich im Strahlengang des lasers zwischen den beiden Strahltellern Ϊ1 und Ί?2 befindet,. Als Modulator eignet sich beispielsweise ein akustooptischer Typ₃ der für eine Festfrequens ausgelegt ist und nur eine minimale Alisteuerleistung benötigt. In der folgenden Tabelle sind für einen Laser von 120 cm Resonatorlänge die erreichbaren Modulatlonsfrequensen angegeben,, wenn die Intensitätsmodulation fehlt oder mit der Hälfte baw, mit elnsni Drittel der Impulsfolgefrequana erfolgt:In the beam path of the laser L is a aweiter beam splitter T2 is disposed ^ through the passes a portion of the radiation to an auxiliary photo-Finished-ctor HD before the first beam splitter T1 _s its output through a variable electric delay unit EV, a frequency divider FT and a frequensselektiven amplifier SV is connected to the input of an optical intity modulator M _? located in the beam path of the laser between the two beam plates Ϊ1 and Ί? 2 ,. For example, an acousto-optic type ₃ is suitable as modulator which is designed for a Festfrequens and requires only a minimum Alisteuerleistung. In the following table, the achievable modulator frequencies are given for a laser of 120 cm resonator length, if the intensity modulation is absent or with half baw, with one third of the pulse repetition frequency:

___j/te_ ______iZMIiL--~. —. -JUM* ___ j / te_ ______ iZMIiL-- ~. -. -JUM *

125.0 25O_eO 375*0 500,0 625,0 75O_eO 875.0 1000.0125.0 25O _e O 375 * 0 500.0 625.0 75O _e O 875.0 1000.0

62,562.5 41. 7·41. 7 · 83,383.3 125,0125.0 125,0125.0 187» 5187 »5 166« 7166 «7 208,3208.3 25O₃O25O ₃ o 250,0250.0 312₃5312 ₃ 5 291 *7291 * 7 333.3333.3 375,0375.0 375.0375.0 437,5437.5 416,7416.7 458,3458.3 500.0500.0 500.0500.0 562_O5562 _o 5 541,7541.7 583,3583.3 625aO625aO 625,0625.0 687,5687.5 666.7666.7 708,3708.3 750,0750.0 750.0750.0 812*5812 * 5 791.7791.7 833,, 3833 ,, 3 875*0875 * 0 875,0875.0 937.5937.5 91 6» 791 6 »7 958,3958.3 000,0000.0 1000.01000.0

Die Folge der erreichbaren Modulationsfrequenzen iat in der Tabelle willkürlich bei 1000 MHs abgebrochen worden* Mil; Silizium=»Avalanehe»~?hotodioden sind gegenwärtig bereits Grenzfreque nz-en von Ca₉ 3 GHs erzieloar*The sequence of achievable modulation frequencies iat in the table has been aborted arbitrarily at 1000 MHs * Mil; Silicon = "avalanche" ~ thermodiodes are currently already achieving limit freqency of Ca ₉ 3 GHs *

Mit Hilfe der variablen elektrischen Verzögerungseinheit EY ist eine optimale Einstellung des Modulator<»Arbeitspunktes möglich* Wird beispielsweise eine Intensitätsmodulation mit der halben Impulsfolgefrequenz angewandt₉ so dürfen die ultrakurzen Laserimpulse den Modulator nicht in dem Moment pas— sieren₃ in dem sich die sinusförmige Mo&ulationsfunktion in ihrem Wendepunkt befindet.With the help of the variable electrical delay unit EY optimum adjustment of the modulator is <"working point possible * For example, an intensity modulation at half the pulse repetition frequency used ₉ as the ultrashort laser pulses may not be the modulator at the moment PAS Sieren ₃ in which the sinusoidal Mo & ulationsfunktion in is at its inflection point.

Wird mit einem Viertel₉ Pünftel usw.,. dsr laipulsfolgefrequenz moduliert** so ergeben sich entsprechend niedrigere untere Modiilationsfrequenzen und geringere Frequenzabstände« Eine Fourieranalyse zeigt,, daß in diesen Pällen einzelne Prequen*» ζ en fehlen können*, Da jedoch die Zahl der Modulati ons frequenz zen dann sehr.groß ist; ergeben sich daraus keine prinzipiellen Schwierigkeiten für praktische Messungen» Die erfindungsgemäße modulierte Anregungslichtquelle gestattet sehr "vielfältige und aussagekräftige phasenflnoronietri« sehe Messungen, Mittels des frequensselektrven Voltmeters SM wird eine beliebige Modnlationsfrequenz'ausgewählte Dann kann nach erfolgter Sichung die durch den- STtioressensprozeß bewirkte Phasenverschiebung gesessen werden₃ indem in der . Yariablen...o.ptischen Veraogerungseinheit eine gleich große Phasenverschiebung eingestellt wird« Richtige Einstellung ist erreicht$ wenn am selektiven Voltmeter ein minimales Signal entsteht« Mit Hilfe des variablen Graukails kann die Genauigkeit schrittweise verbessert werds-n_s indem gleiche Signal-» amplituden für das Pluoressenzlicht und das Vergleiohslicht eingestellt werden.»Is with a quarter ₉ fifths etc.,. Thus, lower modulation frequencies and lower frequency separations are obtained. A Fourier analysis shows that in these cases individual prefixes may be absent, but since the number of modulation frequencies is then very large; this results in no fundamental difficulties for practical measurements. The modulated excitation light source according to the invention permits very varied and meaningful phase-frequency measurements. By means of the frequency-selective voltmeter SM, an arbitrary modulation frequency is selected. Then, after successful detection, the phase shift caused by the interference process can be sat ₃ by an equal phase shift is set in. Yariablen ... o.ptischen Veraogerungseinheit "right attitude is reached when at $ selective voltmeter a minimum signal arises," with the help of the variable Graukails the accuracy gradually improved werds-n _s by same Signal amplitudes for the pluoressenzlicht and the Vergleiohslicht be set.

Claims

Erfindungaanspruch

1 _β phase fluorometer with a mode-synchronized cw laser as excitation light source ₅ with a specimen light in the beam path of the laser. lichtj characterized by .; that in the beam path of the laser between the laser and the beam splitter, another beam splitter for deflecting a portion of the radiation is disposed on an auxiliary "photodetector _? and the output of the auxiliary photodetector is connected to the input of an optical intensity in-modulator via a variable electrical continuity unit, a frequency divider, and a frequency selective amplifier. which is located in the beam path of the laser between the two beam parts on,

2 "phase fluorometer according to item 1, characterized in that in the Palis active mode-locked crz laser in the ÄBsteuerleitung the laser mode locker a signal coupler is inserted, whose coupling output is connected to the input of the variable electrical delay unit.

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