单光子计数荧光光谱仪皮秒脉冲激光光源的研制

2013-04-09  来源:

立项年度:2010     负责人:李文

完成年度:2011      完成单位:中国科学院理化技术研究所    

一、 项目简要说明

在材料发光性能以及光物理和光化学的研究中,单光子计数荧光光谱仪无疑是最为重要和普遍利用的现代探测仪器,但是由于其功能所限,相当的研究化合物不能探测它们的发光动力学。在该功能开发完成后能够针对它的测试功能现状有所改进,主要是两方面,一方面可以较大地缩短仪器响应函数的时间,就以其半高宽看,约1.8纳秒,而我们知道脉冲二极管激光器的激光脉冲半高宽为0.05纳秒,由此可见,对氢灯配置激发光源的缺陷会有较大的改进。另一方面, 对于现系统不能测试的低量子产率的发光材料,配备该光源后,就可以基本解决这样的问题。这是因为氢灯的发光频率为40kHz,而新光源的最低频率可为2500 kHz,即后者是前者的近63倍,也就是说,按照单光子计数法来说,显然新光源1小时可完成的测量,而使用氢灯光源则需要63小时方能完成,事实上,不论是对具体的设备,还是实际操作连续几天测试一个样品是不可实现的,也就是说,氢灯的配置是不能完成测试的。

主要功能设计改进及指标

F900荧光仪主体

从原仪器主体结构可见,左边是氢灯光源装置,激发光输出端进入单色仪,而后进入黑色圈的样品室,以其左侧直角方向进入发射单色仪,而我们的新增激光光源则将从样品室的右侧边直接引入进行。

氢灯和半导体高频激发光源

氢灯光源发光频率40KHz 可见大体为 20ns(IRF决定)<时间窗口< 25ms(发光频率决定),从拟合寿命角度最低0.2 ns, 下图是氢灯组件及仪器响应函数(IRF)。

理想光源(IRF)为直立线,弥补现实是数学处理的解卷积。氢灯光源的光谱和强度情况基本上是300-400nm 光较强, 其后则发光强度很低,以至于实际使用上受到了很大限制。

激光光源: 80MHz高频半导体激光, 按照最低使用频率2.5MHz → 400ns,波长脉冲的半高宽在几十到200皮秒内,毫瓦级(mW)功率。激光源引入见下图。

265nm(LED),功率:0.89微瓦;375nm,功率:0.099毫瓦;

450nm,功率:0.24毫瓦;480nm,功率:0.16毫瓦

二、在科研工作中发挥的作用

1、缩短了IRF(仪器响应函数)的时间跨度

 

 

2、氢灯光源不可能测试的低荧光量子产率样品用激光光源可以测试

上图2个测试实例是所内和北京师范大学在无激光光源前欲测试未果,而引入激光光源后的测试结果。

3、极大地提高了可探测能力下限,氢灯光源IRF的限制测不成的样品

上面二个荧光寿命测试结果是同一个样品利用375nm激光和氢灯光源分别激发对比测试,显然,前者可测可信的结果,而后者氢灯则由于IRF和测试衰减线重合已是不可测试的情形了。

三、项目完成情况

按照项目申请书中的验收技术指标为下表:


技术指标名称

功能开发前的参数

功能开发后预计达到的参数

仪器响应函数

半高宽约1.8纳秒

半高宽1纳秒

低量子产率发光

不能测试

能测试

 

 

 

 

从如上给出的测试实例可见,该项目的完成完全达到了原设定的技术指标。并于2011年10月份开始正式运行,对所内外开展需求服务。到现在为止,已经顺利完成了大量样品的荧光寿命测试。尽管在由于各单位同类仪器的购置而用户不断减少的情况下,2012年的测试量较改进光源前同期提高了75%多。

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