一种非共线光参量放大荧光光谱仪的数据采集方法与流程

技术特征：

1.一种非共线光参量放大荧光光谱仪的数据采集方法，其特征是，在非共线光参量放大过程中，基于泵浦光、荧光路和闲频光路满足能量守恒和动量守恒，荧光路与闲频光路强度具有高度相关性，通过分别采集能量放大后的待测荧光信号和闲频光信号，并将两者取样的结果做相关运算，得到待测荧光与闲频光在零延迟时刻的互相关结果，并以其正平方根结果表示待测荧光在动力学曲线上不同时间延迟时刻的信号值。

2.根据权利要求1所述的非共线光参量放大荧光光谱仪的数据采集方法，其特征是，包括以下步骤：

a、飞秒激光脉冲经光分束片后分为两路，一路是用于产生样品激发光的透射路，另一路是用于产生光参量放大过程的泵浦光的反射路；

b、透射路所产生的样品激发光，经第一聚焦透镜会聚后激发样品，样品置于激发光焦点附近的偏聚焦透镜的一侧；

c、样品受激产生的荧光经荧光收集和会聚系统后，成像在光参量晶体上；

d、反射路所反射的激光脉冲，首先经光程延迟系统的延迟，再经光参量放大泵浦光产生系统，产生345～425nm范围内的泵浦光；

e、泵浦光经第二聚焦透镜会聚，将光参量晶体置于泵浦光焦点前2～3cm，微调光参量晶体的位置，在光参量晶体的后面产生稳定明亮的超荧光环；

f、调节待测荧光在光参量晶体上的光斑位置和相对于泵浦光的入射角度和，使待测荧光、泵浦光、闲频光三者满足一类相位匹配关系；

g、通过调整光程延迟系统，改变泵浦光的光程，使泵浦光与样品受激后不同时刻辐射的待测荧光同时到达光参量晶体，对样品不同时刻辐射的待测荧光进行能量放大；

h、利用数据采集系统分别采集荧光光路的光信号和闲频光光路的光信号，并对数据采集结果进行处理。

3.根据权利要求2所述的非共线光参量放大荧光光谱仪的数据采集方法，其特征是，步骤a中的飞秒激光脉冲的中心波长取值范围为690～850nm、脉宽取值范围为50～300fs，经透射的脉冲激光可直接用于样品激发，也可利用倍频过程产生345～425nm范围内的脉冲激光，或是利用非共线光参量放大过程产生440～750nm范围内的脉冲激光，进行样品激发，激光波长由样品性质决定。

4.根据权利要求2所述的非共线光参量放大荧光光谱仪的数据采集方法，其特征是，步骤h中的数据采集结果的处理方式为：

h-1、利用第一分光系统和第一光电二极管探测器采集荧光光路的光信号，利用第二分光系统和第二光电二极管探测器采集闲频光光路的光信号；

h-2、控制第一分光系统和第二分光系统，使得选择的荧光光路的中心频率ω_signal与闲频光光路的中心频率ω_idler之和等于泵浦光的中心频率ω_pump；

h-3、泵浦光的带宽为Δω_p，通过单色仪狭缝控制荧光光路的带宽Δω_s为3×10¹³～5×10¹³rad/s，闲频光光路的带宽Δω_i满足Δω_i＝(Δω_s+Δω_p)/2；

h-4、选择来自同一个泵浦光脉冲的荧光光路和闲频光光路的光信号，对两者的电信号进行取样，且取样门的位置位于两电信号的峰值附近，取样门的宽度为电信号峰的半高全宽；

h-5、对样品激发光进行斩波调制，斩波频率为飞秒脉冲激光器重复频率的1/2，将荧光光路和闲频光光路两个相邻取样的结果对应做相关运算，取两个相关运算的差值的绝对值，将此绝对值的正平方根作为不同时间延迟时刻下待测荧光的信号强度，从而得到待测荧光的动力学曲线。

5.根据权利要求1或4所述的非共线光参量放大荧光光谱仪的数据采集方法，其特征是，所述相关运算的运算步骤如下：

在非共线光参量放大过程中存在待测荧光时，并考虑噪声的影响，荧光光路信号表示为：

x₁(t)＝s(t)+B_s(t)+n₁(t)

其中，s(t)表示待测荧光，B_S(t)表示荧光光路超荧光背景，n₁(t)为系统噪声；而闲频光光路信号表示为：

x₂(t)＝i(t)+B_i(t)+n₂(t)

其中，i(t)表示与待测荧光相对应的闲频光，B_i(t)表示闲频光光路超荧光背景，n₂(t)为系统噪声；对荧光光路与闲频光光路两个信号做相关运算，互相关联函数可以表示为：

$\begin{array}{c}{R}_{x_1{x}_2}=\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T{x}_1\left(t\right)x_2(t-\mathrm{\τ})dt\\ =\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T\[s\left(t\right)+B_s\left(t\right)+n_1\left(t\right)\]\[i(t-\mathrm{\τ})+B_i(t-\mathrm{\τ})+n_2(t-\mathrm{\τ})\]dt\\ =\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T\[s\left(t\right)i(t-\mathrm{\τ})\]dt+\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T\[s\left(t\right)B_i(t-\mathrm{\τ})\]dt+\\ \underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T\[s\left(t\right)n_2(t-\mathrm{\τ})\]dt+\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T\[B_s\left(t\right)i(t-\mathrm{\τ})\]dt+\\ \underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T\[B_s\left(t\right)B_i(t-\mathrm{\τ})\]dt+\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T\[B_s\left(t\right)n_2(t-\mathrm{\τ})\]dt+\\ +\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T\[n_1\left(t\right)i(t-\mathrm{\τ})\]dt+\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T\[n_1\left(t\right)B_i(t-\mathrm{\τ})\]dt+\\ \underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T\[n_1\left(t\right)n_2(t-\mathrm{\τ})\]dt\\ =R_{si}+R_{{\mathrm{sB}}_i}+R_{{\mathrm{sn}}_2}+R_{B_{s}i}+R_{B_s{B}_i}+R_{B_s{n}_2}+R_{n_{1}i}+R_{n_{1}i}+R_{n_1{B}_i}+R_{n_1{n}_2}\end{array}$

其中，τ为荧光光路信号与闲频光光路信号间的时间延迟，噪声项n₁(t)、n₂(t)之间的相关性很小，噪声项与待测荧光s(t),闲频光i(t)，荧光光路超荧光背景B_S(t)以及闲频光光路超荧光背景B_i(t)的相关性很小，超荧光背景B_S(t)和B_i(t)与待测荧光s(t)与闲频光i(t)的相关性很小，待测荧光s(t)与闲频光i(t)具有高度的相关性，超荧光背景B_S(t)与B_i(t)具有高度相关性，因此上式计算结果等同于

非共线光参量过程中待测荧光不存在时，并考虑噪声的影响，荧光光路信号表示为：

x₃(t)＝B_s(t)+n₁(t)

闲频光光路信号表示为：

x₄(t)＝B_i(t)+n₂(t)

对荧光光路与闲频光光路两个信号做相关运算，互相关函数可以表示为：

$\begin{array}{c}{T}_{x_3{x}_4}=\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T{x}_3\left(t\right)x_4(t-\mathrm{\τ})dt\\ =\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T\[B_s\left(t\right)+n_1\left(t\right)\]\[B_i(t-\mathrm{\τ})+n_2(t-\mathrm{\τ})\]dt\\ =\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T\[B_s\left(t\right)B_i(t-\mathrm{\τ})\]dt+\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T\[B_s\left(t\right)n_2(t-\mathrm{\τ})\]dt+\\ \underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T\[n_1\left(t\right)B_i(t-\mathrm{\τ})\]dt+\underset{T\→\mathrm{\∞}}{\lim }\frac{1}{2T}{\∫}_{-T}^T\[n_1\left(t\right)n_2(t-\mathrm{\τ})\]dt\\ =R_{B_s{B}_i}+R_{B_s{n}_2}+R_{n_1{B}_i}+R_{n_1{n}_2}\end{array}$

其中，噪声项n₁(t)、n₂(t)之间的相关性很小，噪声项与超荧光背景B_S(t)、B_i(t)的相关性很小，超荧光背景B_S(t)与B_i(t)具有高度相关性，因此

计算有待测荧光条件下与无待测荧光条件下，荧光光路与闲频光光路相关运算的差值，即：

$\begin{array}{c}{R}_{x_1{x}_2}-R_{x_3{x}_4}\\ =R_{si}+R_{B_s{B}_i}-R_{B_s{B}_i}\\ =R_{si}\end{array}$

当荧光光路信号与闲频光路信号的时间延迟τ＝0时，R_si取最大值；由于待测荧光与闲频光具有高度的相关性，因此可以用近似表示荧光动力学曲线上不同时间t的荧光信号强度。