一種基于光參量放大的飛秒時間分辨多道鎖相熒光光譜儀的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及光譜測量技術領域，特別是涉及一種基于光參量放大的飛秒時間分辨多道鎖相熒光光譜儀。
【背景技術】
[0002]飛秒時間分辨熒光光譜技術是現(xiàn)代光物理、光化學以及生物體系光能吸收存儲等科研領域的重要研究方法。不同于飛秒時間分辨瞬態(tài)吸收系統(tǒng)，時間分辨熒光直接反應了激發(fā)態(tài)的能量轉移、電子轉移等超快過程。目前常見的時間分辨熒光探測手段包括條紋相機技術、光克爾門技術、熒光上轉換技術以及光參量熒光放大技術。在這些方法之中，光參量熒光放大技術具有時間分辨率高、同時刻放大的光譜范圍寬、探測靈敏度高等優(yōu)點。
[0003]光參量焚光放大技術中，由于參量放大過程中量子噪聲與種子焚光同時被放大且在時間與空間上均不可分離，且量子噪聲的強度為隨機漲落，脈沖之間差異很大，這兩點導致時間分辨光參量熒光放大技術的背景噪聲無法直接扣除、信噪比不高，尤其是在弱信號探測方面一直受到限制。
[0004]針對以上的問題，發(fā)明人曾經(jīng)利用單個光電二極管配合鎖相放大器抑制背景噪聲得到單一波長的高信噪比信號。這一方法被記載在申請日為2014年5月28日、申請?zhí)枮?01410229765.2、名稱為《一種基于光參量放大的飛秒時間分辨多道鎖相熒光光譜儀》的專利文件中，為了能在熒光探測過程中實現(xiàn)對整個光譜范圍的噪聲抑制，發(fā)明人設計了光纖陣列接口配合32個獨立二極管的多通道鎖相放大器進行數(shù)據(jù)采集，但該方法有以下幾點局限性:
[0005]1、光纖尺寸有限(單根光纖直徑:400微米)，使得光路調整較為麻煩，所要探測的信號在進入光譜儀前必須精準調整到特定的高度，光斑必須恰好聚焦到入射狹縫才可能得到較強的信號；
[0006]2、由于色差的存在，紅區(qū)與藍區(qū)的光無法同時在光譜儀后焦面聚為焦點，導致光纖耦合效率的差異，最終產生光譜形狀失真；
[0007]3、光纖的傳輸損耗掉了部分能量，降低了探測的靈敏度；
[0008]4、光纖的透光范圍限制了儀器的使用光譜區(qū)間，難以將儀器擴展到紫外與紅外波段使用；
[0009]5、單獨的二極管由于制造過程中個體差異的存在，對光強的響應略有不同。
[0010]因此，需要開發(fā)出一種新的光譜儀以克服上述缺陷。

【發(fā)明內容】

[0011]本發(fā)明的一個目的是要提供一種基于光參量放大的飛秒時間分辨多道鎖相熒光光譜儀，其光路調整簡單，探測靈敏度高，測量結果更為準確，且光譜不易失真。
[0012]特別地，本發(fā)明提供了一種基于光參量放大的飛秒時間分辨多道鎖相熒光光譜儀，包括:
[0013]激光源；
[0014]樣品熒光產生與收集系統(tǒng)；
[0015]栗浦激光產生系統(tǒng)；
[0016]光譜儀；
[0017]數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為多通道光電二極管陣列接口鎖相放大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)；
[0018]分束片，用于將所述激光源的輸出激光分為兩束，一束激光入射至所述樣品熒光產生與收集系統(tǒng)用于產生激發(fā)樣品熒光的激發(fā)光，另一束激光入射至所述栗浦激光產生系統(tǒng)用于產生放大焚光的栗浦光;和
[0019]光參量放大光路，具有兩個輸入端和一個輸出端，所述兩個輸入端分別與所述樣品熒光產生與收集系統(tǒng)和所述栗浦激光產生系統(tǒng)的出光端相連，所述輸出端接入光譜儀的入光口，所述光譜儀的出光口和所述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連。
[0020]進一步地，所述多通道光電二極管陣列接口鎖相放大數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括光電二極管陣列與多通道鎖相放大器，所述光譜儀的出光口入射至所述光電二極管陣列，所述光電二極管陣列的輸出口再接入所述多通道鎖相放大器進行運算處理。
[0021]進一步地，所述光電二極管陣列包括至少32個相同的面元，所述光電二極管陣列一次成型。
[0022]進一步地，所述光電二極管陣列中的所述每個面元的長度為4至5_，寬度為0.8至Imm，所述至少32個面元中每個面元之間的間距為0.05至0.15mm。
[0023]進一步地，所述光電二極管陣列具有46個面元，所述每個面元的長度為4.4mm，寬度為0.9mm，所述46個面元中每個面元之間的間距為0.1mm。
[0024]進一步地，所述多通道鎖相放大器為基于FPGA實現(xiàn)的多通道同步數(shù)字鎖相，所述多通道鎖相放大器包括多塊FPGA芯片，在所述每塊FPGA芯片前分別設有前置放大濾波器與模數(shù)轉換單元，所述光電二極管陣列的輸出信號經(jīng)所述前置放大濾波器與所述模數(shù)轉換單兀后進入所述每塊FPGA芯片；
[0025]優(yōu)選地，所述模數(shù)轉換單元前端還設有低通濾波器和抗混疊濾波器，所述光電二極管陣列的輸出信號依次經(jīng)所述前置放大濾波器、所述低通濾波器、所述抗混疊濾波器與所述模數(shù)轉換單元后進入所述每塊FPGA芯片。
[0026]進一步地，所述激光源發(fā)出激光經(jīng)所述分束片分為所述兩束輸出激光即透射激光與反射激光，其中:
[0027]所述透射激光用于產生激發(fā)光，所述激發(fā)光入射至所述樣品熒光發(fā)生與收集系統(tǒng)，產生與待測樣品相對應的熒光并收集；
[0028]所述反射激光入射至所述栗浦激光產生系統(tǒng)，用于倍頻產生栗浦光，所述栗浦光入射至所述光參量放大光路，用于放大所述樣品熒光發(fā)生與收集系統(tǒng)中所收集到的所述熒光。
[0029]進一步地，所述樣品熒光產生與收集系統(tǒng)包括倍頻晶體與樣品池，所述透射激光入射至所述倍頻晶體產生倍頻的所述激發(fā)光；
[0030]優(yōu)選地，所述倍頻晶體為β相偏硼酸鋇晶體。
[0031]進一步地，所述樣品熒光產生與收集系統(tǒng)包括非共線光參量放大光路、C切割藍寶石片與樣品池，所述透射激光聚焦在所述C切割藍寶石片產生超連續(xù)白光，產生的超連續(xù)白光通過非共線光參量放大光路進行放大后，得到所述激發(fā)光，所述激發(fā)光的波長為480nm到720nm。
[0032]進一步地，所述激光源采用脈寬35飛秒的激光放大器，所述激光放大器的輸出中心波長為800nm，重復頻率為1000取，進入光路的功率為500!?。
[0033]本發(fā)明的基于光參量放大的飛秒時間分辨多道鎖相熒光光譜儀由于利用光電二極管陣列在光譜儀出光口直接進行光信號的探測完美的解決了光纖接口的各種問題，有如下幾點優(yōu)勢:
[0034]1、較大的面元尺寸配合長焦距的譜儀在保證光譜分辨率的同時大大降低了光路調整的難度，使得光高的調整和聚焦前后位置的調整都得到了簡化；
[0035]2、由于面元的寬度達到了0.8至1mm，色散導致的紅區(qū)和藍區(qū)無法同時聚焦不會影響放大的熒光的收集，不會導致光譜形狀的失真；
[0036]3、沒有光耦合進入光纖和光纖傳輸過程中的能量損失，提高了探測的靈敏度；
[0037]4、不受光纖透過率的影響，使探測范圍擴展到了深紫外區(qū)(可達190nm)，只需更換譜儀的光柵和紅外響應的二極管系統(tǒng)便可擴展到紅外區(qū)使用；
[0038]5、二極管陣列為一次成型產品，46個面元的同一性好，不會因響應差異影響測量結果，簡化了光譜強度響應矯正的步驟。
[0039]根據(jù)下文結合附圖對本發(fā)明具體實施例的詳細描述，本領域技術人員將會更加明了本發(fā)明的上述以及其他目的、優(yōu)點和特征。
【附圖說明】
[0040]后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細描述本發(fā)明的一些具體實施例。附圖中相同的附圖標記標示了相同或類似的部件或部分。本領域技術人員應該理解，這些附圖未必是按比例繪制的