[發(fā)明專利]一種測量雙光子吸收截面的方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 201710030738.6
• 申請日: 2017-01-16
• 公開（公告）號: CN106770130A
• 公開（公告）日: 2017-05-31
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 錢駿;努爾尼沙·阿力甫;汪亞倫
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 杭州求是專利事務(wù)所有限公司33200
• 代理人: 忻明年

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)檢測領(lǐng)域，是一種新的測量雙光子吸收截面的方法。這種測量方法可基于任何一臺雙光子熒光顯微鏡，通過雙光子熒光法獲取熒光材料的光強信息來測量材料的雙光子吸收截面。

背景技術(shù)

雙光子熒光(Two-Photon Fluorescence,2PF)是指熒光材料在高峰值功率脈沖激光激勵下同時吸收光源的兩個光子躍遷到激發(fā)態(tài)，再馳豫回到基態(tài)而發(fā)射出光子的一個過程。通常使用雙光子作用截面(Two-PhotonActionCross-Section,ηδ)來表征材料的雙光子熒光發(fā)射效率，它表示材料吸收入射光子并發(fā)射出雙光子熒光的能力，等于材料的雙光子吸收截面(2PA,Two-PhotonAbsorption Cross-Section,δ)與熒光量子產(chǎn)率(Fluorescence Quantum Yield,η)的乘積。其中，2PA截面表征材料分子發(fā)生雙光子吸收的概率，反映了材料進行雙光子吸收的能力。測量2PA截面的方法大致可以分為兩大類，一類是從吸收截面的定義出發(fā)，進行直接測量，如非線性透過率法。用這種方法測2PA截面時，入射光功率需要很大，且所需材料的濃度比較高。此外，用此方法測量2PA截面缺乏一個參照來確定測量所用入射光功率與材料濃度是否處在一個合理的范圍內(nèi)。因此透過率法測得的結(jié)果容易產(chǎn)生比較大的誤差。另外，透過率法測量對光源的功率要求比較高，普通的飛秒OPO功率往往不夠，需要采用峰值功率比較高的飛秒OPA作為光源。

另一種測量2PA截面的方法是從2PA截面的效果出發(fā)，進行間接測量。如雙光子熒光法測2PA截面，其大致思路：

材料產(chǎn)生的雙光子熒光強度F與2PA截面δ的關(guān)系可表示為：

F＝δN_AcηLnI²K(1)

其中，N_A是阿伏加德羅常數(shù)，c是材料的摩爾濃度，η是材料的熒光量子產(chǎn)率，L表示材料的通光長度，I是入射光的強度，K是一個與光學(xué)系統(tǒng)的收集效率有關(guān)的一個常數(shù)。這種方法可以通過測量材料的雙光子熒光強度從而反推出它的2PA截面。由于很難直接求得光學(xué)系統(tǒng)的收集效率，故通常采用比較法來測量，即尋找一個與待測樣品雙光子熒光光譜接近、且2PA截面已知的參照材料，在相同的光學(xué)環(huán)境下分別測量它們的雙光子熒光，再通過參照材料的2PA截面推算出樣品的2PA截面。其計算公式：

其中下標(biāo)1與0分別代表樣品與參照材料。由于K是一個與光學(xué)系統(tǒng)的通光長度與收集效率有關(guān)的常數(shù)，因此在相同的光學(xué)測量環(huán)境下，K值是相同的，即K₁＝K₂。所以，只要在相同的光學(xué)環(huán)境下，分別測得兩者的雙光子熒光強度F₁、F₀，并且知道它們的摩爾濃度c₁、c₀，熒光量子產(chǎn)率η₁、η₀，溶液的折射率n₁、n₀，以及參照材料的2PA截面δ₀，就可以得到樣品的2PA截面δ₁。相較于非線性透過率法，雙光子熒光法的優(yōu)勢主要有兩點。一、雙光子熒光強度與入射光強度成平方關(guān)系，可以在實驗過程中減少其他非線性吸收及線性吸收帶來的影響。二、熒光法測量中所用的入射光功率與材料濃度分別比透過率法低很多，這也大大減少了其他非線性吸收與線性吸收的貢獻。通過減少這些干擾，雙光子熒光法通?？梢员确蔷€性透過率法測得更為準(zhǔn)確的2PA截面。

2PA截面沒有成熟的商業(yè)化儀器可以使用，一般都需要自己搭建光路來測量材料的熒光光譜，進而對光譜強度進行波長積分，并用公式(2)進行計算的。然而，通過光譜儀測量的是熒光材料發(fā)射的熒光信號被散射的部分，而這部分熒光是很弱的，且容易受到環(huán)境中其他雜散光的影響，因此所測得的信號有比較大的誤差。為了解決這個問題，進一步提高檢測的精度，本發(fā)明設(shè)計了一種新的測量雙光子吸收截面的方法，即直接用雙光子熒光顯微鏡來獲得待測樣品的雙光子熒光光強信號，進而用公式(2)計算得到其2PA截面。

發(fā)明內(nèi)容