[發明專利]一種單脈沖激光誘導瞬態分子熒光光譜的測量方法及系統

在審

• 申請號: 202010091270.3
• 申請日: 2020-02-13
• 公開（公告）號: CN111239090A
• 公開（公告）日: 2020-06-05
• 發明（設計）人: 曾和平;王小月;閆明
• 申請（專利權）人: 華東師范大學重慶研究院;華東師范大學
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 康海燕

本發明提供一種單脈沖激光誘導瞬態分子熒光光譜的測量方法及系統，其利用飛秒激光誘導熒光發射技術激發樣品產生待測熒光，熒光沿激發光的傳播方向被反向收集；一個線性啁啾脈沖與待測熒光信號在二階非線性介質中相互作用產生和頻光信號；作用后的啁啾脈沖內會出現一個強度凹陷，將具有強度凹陷的啁啾脈沖經時間放大系統進行時間展寬；被展寬的具有凹陷的啁啾脈沖和一個線性啁啾脈沖的分量一起被高速響應的光電探測器探測，并輸出兩個信號被高速示波器記錄并測量，處理后便可以獲得經時間放大后的瞬態分子熒光信號光譜。本發明技術可以對單個飛秒脈沖激發的分子熒光光譜進行快速測量，獲得具有高分辨率、實時性、連續的單幀熒光信號光譜，是一種針對不可重復的物理過程或不可逆的瞬態過程進行快速光譜測量的方法。

技術領域

本發明涉及超快激光與激光光譜測量領域，具體涉及的是超快飛秒光學、光與物質相互作用物理，以及非線性光譜技術。

背景技術

激光誘導熒光光譜測量技術是指利用激光激發分子/原子的電子躍遷至高能級態，并針對電子能級回遷所輻射的熒光信號進行測量。由于分子熒光光譜與激發光源的波長無關，只與熒光物質本身的能級結構有關，所以可以根據熒光譜線對熒光物質進行定性(或定量)的分析鑒別。因為激光誘導熒光的收集與檢測方向與激發光不同，因此該技術可以規避激發光的強背景噪聲，實現高靈敏度的分子檢測。

超短脈沖技術使得時間可分辨的分子熒光光譜測量成為可能。超短脈沖可以在飛秒(1fs＝10^-15s)至皮秒(1ps＝10^-12s)時間尺度內，激發分子/原子體系的電子能級躍遷，為研究分子熒光的時間演化過程提供了可靠光源。基于超短脈沖的時間分辨熒光光譜技術可以用于測定熒光壽命、量子脈沖頻譜、馳豫現象等基礎物理過程，對生物學、分子化學、醫學等具有重要的應用價值。

目前，研究分子熒光動態過程的方法可以大致分為直接測量技術與泵浦-探測技術。直接探測技術是指利用高速響應的探測器直接對經過光學濾波的分子熒光信號進行探測。此時，探測器的輸出信號可以直接反映出熒光強度隨時間演化的情況。這種方法操作簡單，其時間分辨率在亞納秒量級(10^-8-10^-19s)，由探測器以及記錄信號的數據采集器的響應時間決定。然而諸如分子間能量或電子轉移、分子振動轉動等過程都是在皮秒，甚至飛秒量級。所以，該技術無法針對分子超快過程引起的熒光信號變化進行測量。

泵浦-探測技術是指通過調節泵浦光和探測光之間的光程差(延遲時間差)，在不同延遲時間下測量信號的變化，是一種具有高時間分辨率的光譜動力學測量技術。但是該技術需要對熒光信號進行多周期光學采樣測量，因此無法實現對分子熒光信號的瞬態過程或是不可重復的信息進行實時測量。

此外，時間拉伸的瞬態傅里葉變換光譜技術可以實現對信號光譜精確、快速的實時測量。但是該技術對脈沖測量的前提是，被測脈沖處于其傅里葉變化極限狀態，即脈沖的啁啾量為零，或者說脈沖的脈寬與其光譜形狀為傅里葉變化關系。然而，分子熒光信號是非相干光，不能通過時間拉伸的方式展現頻率特性，因此該技術無法直接適用于測量分子熒光光譜。

綜上所述，雖然激光誘導分子熒光測量為光譜遙感、非線性光物理研究等領域提供了重要的研究與測量手段，但是該技術在高時間分辨率與對分子瞬態過程的測量方面仍然或多或少地存在著技術不足和缺陷。

發明內容

本發明針對上述現有技術的不足之處，提供一種單脈沖激光誘導瞬態分子熒光光譜的測量方法及系統，可以實現對激光誘導熒光光譜的高分辨率、高速實時測量。

本發明目的實現由以下技術方案完成：