一种模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪的制作方法
【专利摘要】本发明涉及时间分辨光谱测量仪器，具体说的是一种模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪，包括仪器光学平板，由平面反射镜、凸透镜、光阑、滤光片、时间延迟线、非线性光学晶体、样品系统组成的泵浦光路系统和探测光路系统，以及光谱检测系统。本光谱仪器利用光学平板做底板及各种光学元器件，实现了该仪器的模块化，仪器可以整体移动，并且将飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪和飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱仪合二为一，工作人员可以方便的调节，使之可以广泛地推广使用。
【专利说明】一种模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光"蚀二合一光谱仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及时间分辨光谱测量仪器，具体说的是一种模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪，本光谱仪利用光学平板及各种光学元器件，实现了该仪器的模块化，仪器可以整体移动，并且将飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪和飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱仪器合二为一，工作人员可以方便的调节，使之能广泛地推广使用。
【背景技术】
[0002]时间分辨泵浦-探测技术〔超快激光光谱原理与技术基础，翁羽翔、陈海龙等编，2013年，化学工业出版社〕，又称为激发-探测双脉冲技术〔时间分辨光谱基础，郭础，2012年，高等教育出版社]，在现代科学的诸多领域有着广泛的应用，如光物理过程、光化学反应、生物化学过程、光催化反应、能量与电荷传输过程、纳米材料表征等；本发明涉及的飞秒时间分辨光谱仪器同样应用了泵浦-探测技术；目前较常用的飞秒时间分辨泵浦-探测光谱仪器主要有飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪器、荧光上转换光谱仪器、飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱仪器等；通常配备有飞秒激光的实验室都可以搭建飞秒时间分辨泵浦-探测光谱仪器；周潘旺等人[计算机软件著作权:2012部105495]建立了飞秒时间分辨泵浦-探测光谱仪器的信号采集方法。
[0003]由于搭建飞秒时间分辨泵浦探测光谱仪器对实验技术人员的要求较高，有时实验室光路系统较多，比如同时存在飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪和飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱仪，此时对光路的调节和变动就很不方便，通常都需要极为专业的实验人员进行操作和维护，培训新的操作人员时间较长代价较高，这些都制约了飞秒时间分辨泵浦-探测光谱技术的推广和应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于得到一种模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪，降低对实验操作人员的要求，使之易于推广。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0006]一种模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪，包括仪器光学平板、两个光源入口，由平面反射镜、凸透镜、光阑、滤光片、时间延迟线、非线性光学晶体、样品系统组成的泵浦光路系统和探测光路系统，以及光谱检测系统；
[0007]采用一块硬铝合金或不锈钢的光学平板，长为120(3%宽为60^。将所有需要调节的光学元器件都置于该光学平板上，且都安装到确定的位置，使之模块化。
[0008]泵浦光路系统光源入口为泵浦光入口，泵浦光经过滤光片，用滤光片调节光强，用两个平面反射镜调节入射光方向，一个凸透镜调节聚焦入射到样品池上的光斑大小。
[0009]探测光路系统光源入口为探测光入口，探测光通过滤光片，用滤光片调节光强，两个平面反射镜调节探测光方向，用两个光阑控制光束方向，进入光学延迟线的电控位移平台和光反射器，使得探测光到时间延迟线的入射光束和出射光束平行，由光学延迟线出来的探测光经过平面反射镜，由滤光片调节光强，利用时间延迟线控制泵浦光脉冲和探测光脉冲之间的时间差，经过平面反射镜反射通过光阑后，用凸透镜聚焦探测光到非线性晶体上，产生超连续白光谱，此白光通过凸透镜调节后变为平行光，所述平行光经过平面反射镜的反射后，通过截止滤光片滤去800=0波段的光后，通过宽带分束片分为信号光和参考光，其中由宽带分束片反射的是信号光，透射的为参考光；信号光与泵浦光在样品池上实现空间交叉重合，此信号光通过样品池后用凸透镜变为平行信号光，所述平行信号光再通过平面反射镜，由消色差物镜聚焦到光纤上；由宽带分束片透射过的白光作为参考光，通过平面反射镜反射后，通过光阑，分别用凸透镜聚焦到样品池上，参考光与泵浦光在样品池上空间不重合，参考光用凸透镜调为平行参考光，通过平面反射镜，用消色差物镜聚焦到光纤上，最后用光纤导入到光谱测量系统，用于飞秒时间分辨瞬态吸收光谱测量。
[0010]测量飞秒时间分辨瞬态吸收光谱时，泵浦光路系统中设置有斩波器。
[0011]光谱检测系统包含有光栅光谱仪和光信号探测器，当光路由光纤导入时，采集信号为飞秒时间分辨瞬态吸收光谱；当由凸透镜收集的荧光到达光谱测量系统时，采集信号为飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱；所述光谱测量系统的信号由计算机控制采集。
[0012]移去探测光路中的光阑、凸透镜和非线性晶体和凸透镜，更换宽带分束片为平面反射镜，样品的荧光用凸透镜收集，通过平面反射镜，由凸透镜聚焦后进入光谱测量系统，用于飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱测量。
[0013]测量飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱时，探测光路系统中设置有斩波器。
[0014]光学延迟线系统由电控位移平台和光反射器组成。
[0015]所述电控位移平台用于控制调节探测光路的光程长度，电控位移平台的运动由计算机控制。
[0016]所述光反射器由两个相互垂直且都垂直于入射光平面的平面反射镜组成，或用中空角镜组成，以方便光路调节。
[0017]样品的荧光信号可以通过透镜收集，再导入光谱测量系统，用于飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱测量。
[0018]信号光与泵浦光在样品池上交叉重合。
[0019]光纤设置在光纤支架上。
[0020]所述光谱仪内，泵浦光路系统的光程比探测光路系统的光程短100(^到200挪，此差额光程在所述光谱仪外补齐，使得两个光路系统光程相等或相近。
[0021]测量飞秒时间分辨瞬态吸收光谱时，用于产生超连续白光的所述的非线性晶体，其材料是2皿厚的蓝宝石晶体或3皿厚的晶体，并且晶体在使用时要处于不停的转动中。
[0022]测量飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱时，光路中不需要的此非线性光学晶体。
[0023]所述的平面反射镜的材质，根据入射光和反射光的要求不同，包括银镜、铝镜、金镜，或对特殊波长有效的介质膜镜。
[0024]光学延迟线由电控位移平台和光反射器组成，电控位移平台由计算机编程控制，使得泵浦光脉冲和探测光脉冲之间的时间延迟发生改变；光反射器是将入射光束以平行且相反于入射光方向的反射出去，可以使用中空角镜或两个相互垂直的平面反射镜作为光反射器。
[0025]所述的样品池为光程为1臟的固定比色池，或1臟流动样品池，或旋转样品池，或使用薄膜样品。
[0026]光学斩波器的触发信号来源于激光脉冲信号，根据光谱检测系统的不同，控制光学斩波器的频率在25取?500取，使得样品池上出现有泵浦光和没有泵浦光照射的两种情形，用于样品信号测量。
[0027]本发明所提供的模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪所需要的泵浦光和探测光都是在本发明仪器之外产生。
[0028]本光谱仪器利用光学平板做底板及各种光学元器件，本发明仪器所有的光学元器件都在所述的光学平板的固定位置附近，这有利于本仪器的作整体的位置移动，且每次实验只需要进行简单的调试；搭建好仪器后，只需要对使用人员进行简单的培训就可以熟练地操作本发明仪器。
[0029]实现了该仪器的模块化，仪器可以整体移动，并且将飞秒时间分辨瞬态吸收光谱仪和飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱仪合二为一，工作人员可以方便的调节，使之可以广泛地推广使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0030]图1为本发明的模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪结构示意图。
[0031]图2为实施例1中，浓度为0.1臟01凡0X750染料的乙醇溶液的飞秒时间瞬态吸收光谱图。
[0032]图3为实施例2中，浓度为0.1臟01凡报301染料的乙醇溶液的飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱图。
[0033]其中，1-光学平板；2-光源入口 ；3-滤光片；4-平面反射镜；5-平面反射镜；6-凸透镜；7-样品池:8-光源入口:9-滤光片:10-平面反射镜；11-平面反射镜；12-光阑；13-光阑:14-电控位移平台；15-光反射器；16-平面反射镜；17-滤光片:18-平面反射镜；19-光阑；20-凸透镜；21-非线性光学晶体；22-凸透镜；23-平面反射镜；24-滤光片；25-宽带分束片；26-光阑；27-光阑；28-凸透镜；29-凸透镜；30-平面反射镜；31-平面反射镜:32-消色差物镜；33-光纤支架；34-光纤；35-平面反射镜；36-光阑；37-光阑；38-凸透镜；39-凸透镜；40-平面反射镜；41-平面反射镜；42-消色差物镜；43-光纤支架；44-光纤；45-光谱测量系统；46-凸透镜；47-平面反射镜；48-凸透镜；49-斩波器；50-斩波器。
【具体实施方式】
[0034]请参阅附图，图1为本发明的结构示意图。本发明的模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪所述的光学平板长为120(3111，宽为60(3111，有两个入光口 2和8，入光口 2为泵浦光入口，为单色飞秒激光，用于激发样品；入光口 8为探测光入口，当测量飞秒时间分辨瞬态吸收光谱是探测光为800=0基频光，当测量飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱时探测光为单色飞秒激光，包括80011111基频光；泵浦光入口与探测光入口相距约10(3111-20(3111。
[0035]泵浦光通过滤光片3调节功率，用平面反射镜4和平面反射镜5调节光束反射方向，用凸透镜6调节入射到样品池7上的光斑大小。
[0036]探测光通过滤光片9调节功率，用平面反射镜10和平面反射镜11调节光束通过光阑12和光阑13，进入时间延迟线，时间延迟线用电控位移平台14控制探测光脉冲的光程，进而控制时间延迟，探测光由光反射器15反射出时间延迟线，光反射器一般用两个相互垂直的平面反射镜或中空角镜，再用滤光片17调节功率，用平面反射镜16和平面反射镜18调整方向。
[0037]若采集飞秒时间分辨瞬态吸收光谱，使用光学斩波器49，不使用光学斩波器50，探测光用光阑19调整光斑形状，通过凸透镜20聚焦到非线性光学晶体21上，产生超连续白光，非线性光学晶体通常用2皿厚的蓝宝石片或3皿01？-2片，超连续白光用凸透镜22调整为平行光束，再用平面反射镜23反射通过低通滤光片24，用宽带分束片25分为两束，由宽带分束片25反射的光为信号光，通过光阑26和光阑27，用凸透镜28聚焦到样品池7上，并与泵浦光在样品池7上交叉重合，在样品池7上的白光光斑要小于泵浦光光斑；透过分束片的白光为参考光，用平面反射镜35反射通过光阑36和光阑37，到到达凸透镜30上，再聚焦到样品池7上，这一光束不与泵浦光重合；信号光通过凸透镜29调节为平行光，再用反射镜30和反射镜31，由消色差物镜32聚焦到光纤34中；参考光通过凸透镜39和反射镜41和反射镜41，由消色差物镜42聚焦到光纤44中；信号光与参考光由光纤34和44导入光栅光谱仪分光后用光信号探测器进行检测。
[0038]若采集荧光亏蚀光谱，使用斩波器50，不使用斩波器49，移去光阑19，凸透镜20和非线性光学晶体21，以及凸透镜22，宽带分束片25更换为平面反射镜25 ；探测光从平面反射镜18直接反射到平面反射镜23，此时由平面反射镜23和25反射探测光通过光阑26和光阑27，在用凸透镜28聚焦到样品池7上，此时样品池7上的探测光与泵浦光交叉重合，尽量使得探测光光斑大于泵浦光光斑；样品的荧光用凸透镜46收集，用反射镜47反射，再用凸透镜48聚焦到光测量系统进行检测。
[0039]光路系统中的光学斩波器其触发信号来源于泵浦光脉冲信号源。
[0040]本发明仪器所有光学元器件都在所述的光学平板上，光学平板可以整体移动，可以在实验室内或不同实验室之间随意移动，只需要将泵浦光和探测光之间光程差(100(^-200(^)补足即可；所有信号都由计算机控制和采集，实现自动化操作；仪器在第一次调试完成后，后面使用时只需要简单的操作就能够使用。
[0041]实施例1
[0042]针对本发明所述的模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪在测量飞秒时间分辨瞬态吸收光谱时性能的考察，采用0X750染料的0.1111 11101/1乙醇溶液为样品，测量飞秒时间分辨瞬态吸收光谱信号，光学平板长为120挪，宽为60^，泵浦光为400鹽，探测光为800鹽，频率都是1000取，泵浦光光程为90(^1，探测光光程为237(^1，斩波器转动频率为50取，非线性晶体为2皿厚蓝宝石，得到的飞秒时间分辨瞬态吸收光谱信号如图2所示。
[0043]图2中的波长坐标表示的是探测光的光谱范围，时间延迟坐标是由计算机控制的时间延迟线得到的时间坐标，信号强度坐标表示的是0X750染料分子的瞬态吸收信号，其大小就表示在不同的时间和波长处0X750激发态分子的飞秒瞬态吸收信号大小。
[0044]图中显不X轴为白光光谱范围信号，X轴为时间延迟，2轴为信号大小。
[0045]实施例2
[0046]针对发明所述的模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪在不同实验室测量时间分辨光谱性能的考察，在两个飞秒实验室，采用报301染料的0.1111 11101/1乙醇溶液为样品，泵浦光为400=%探测光为630=%测量飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱信号，得到的飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱信号如图3所示。
[0047]图3中显示同一台飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪在两个实验室测量得到的飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱。图3的时间延迟坐标是由时间延迟线得到，图3的总坐标表示的是荧光亏蚀光谱强度。图3中位置1的信号表示本光谱仪器在第一个实验室获得的1^301染料的飞秒荧光亏蚀光谱信号，位置2的信号表示本光谱仪器在第二个实验室获得的报301染料的飞秒荧光亏蚀光谱信号，图3中显示这两个位置测量得到的111301染料的飞秒荧光亏蚀光谱信号是一致的。
【权利要求】
1.模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪，包括光学平板(1)，两个光源入口(2)和(8)，泵浦光路系统，探测光路系统，光谱检测系统；其特征在于: 所述光谱仪中的所有光学元器件都置于光学平板(1)上； 泵浦光路系统:光源入口(2)为泵浦光入口，泵浦光经过滤光片(3)，被平面反射镜(4)和平面反射镜(5)反射后，被凸透镜(6)聚焦到样品池(7)上； 探测光路系统:光源入口(8)为探测光入口，探测光通过滤光片(9)，由平面反射镜(10)和平面反射镜(11)反射后，通过光阑(12)和光阑(13)，进入光学延迟线的电控位移平台(14)和光反射器(15)，由光学延迟线出来的探测光经过平面反射镜(16)，由滤光片(17)调节光强，经过平面反射镜(18)反射通过光阑(19)后，由凸透镜(20)聚焦到非线性光学晶体(21)上，产生超连续的白光，此白光通过凸透镜(22)调节后变为平行光，所述平行光经过平面反射镜(23)的反射后，通过截至滤光片(24)滤去800nm附近波段的光后，通过宽带分束片(25);由宽带分束片(25)反射的白光作为信号光,所述信号光通过光阑(26)和光阑(27)，由凸透镜(28)聚焦到样品池(7)上，信号光与泵浦光在样品池(7)上实现空间交叉重合，此信号光通过样品池(7)后用凸透镜(29)变为平行光，所述平行光再通过平面反射镜(30)和平面反射镜(31)，由消色差物镜(32)聚焦到光纤(34)上，；由宽带分束片(25)透射过的白光作为参考光，通过平面反射镜(35)反射后，通过光阑(36)和光阑(37)，用凸透镜(38)聚焦到样品池(7)上，参考光与泵浦光在样品池(7)上空间不重合，参考光用凸透镜(39)调为平行光，通过平面反射镜(40)和平面反射镜(41)，用消色差物镜(42)聚焦到光纤(44)上；光纤(34)和光纤(44)一起导入光谱测量系统(45)，用于飞秒时间分辨瞬态吸收光谱测量； 测量飞秒时间分辨瞬态吸收光谱时，泵浦光路系统中设置有斩波器(49); 光谱检测系统(45)包含有光栅光谱仪和光信号探测器，当光路由光纤(34)和光纤(44)导入时，采集信号为飞秒时间分辨瞬态吸收光谱；当由凸透镜(46)收集的荧光到达光谱测量系统(45)时，采集信号为飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱；所述光谱测量系统(45)的信号由计算机控制采集信号； 移去探测光路中的光阑(19)、凸透镜(20)、非线性晶体(21)和凸透镜(22)，更换宽带分束片(25)为平面反射镜(25)，样品池(7)的荧光用凸透镜(46)收集，通过平面反射镜(47)，由凸透镜(48)聚焦后进入光谱测量系统(45)，用于飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱测量; 测量飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱时，探测光路系统中设置有斩波器(50)。
2.根据权利要求1所述的模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪，其特征在于:光学平板(1)的组成材料为硬铝或不锈钢，所述光学平板(1)的尺寸规格:长为120cm,宽为 60cm。
3.根据权利要求1所述的模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪，其特征在于: 光学延迟线系统由电控位移平台(14)和光反射器(15)组成； 电控位移平台(14)用于控制调节探测光路的光程长度，电控位移平台(14)的运动由计算机控制； 光反射器(15)由两个相互垂直且都垂直于入射光平面的平面反射镜组成，或用中空角镜组成，以方便光路调节。
4.根据权利要求1所述的模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪，其特征在于:测量飞秒时间分辨瞬态吸收光谱时，用于产生超连续白光的非线性光学晶体(21)，其材料为厚度2_的蓝宝石或厚度3_ CaF2晶体；测量飞秒时间分辨荧光亏蚀光谱时，光路中不需要的此非线性光学晶体。
5.根据权利要求1所述的模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪，其特征在于: 光学斩波器(49)和光学斩波器(50)的触发信号是飞秒激光器的输出触发信号； 根据光谱检测系统的不同，光学斩波器的频率范围是25?500Hz。
6.根据权利要求1所述的模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪，其特征在于: 所述的样品池(7)为光程为1mm的固定比色池，或1mm流动样品池，或旋转样品池，或使用薄膜样品。
7.根据权利要求1所述的模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪，其特征在于:所述的平面反射镜的材质，根据入射光和反射光的要求不同，包括银镜、铝镜、金镜，或对特殊波长有效的介质膜镜。
8.根据权利要求1所述的模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪，其特征在于: 光纤(34)和光纤(44)分别设置在光纤支架(33 )和光纤支架(43 )上。
9.根据权利要求1所述的模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪，其特征在于:所述光谱仪内，泵浦光路系统的光程比探测光路系统的光程短100cm到200cm，此差额光程在所述光谱仪外补齐，使得两个光路系统光程相等或相近。
【文档编号】G01J3/42GK104422519SQ201310392018
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年9月2日 优先权日:2013年9月2日
【发明者】韩克利, 羊送球, 刘建勇, 周潘旺, 徐大力 申请人:中国科学院大连化学物理研究所