一种非共线光参量放大荧光光谱仪的数据采集方法技术

本发明专利技术涉及一种非共线光参量放大荧光光谱仪的数据采集方法，在非共线光参量放大过程中，基于泵浦光、荧光路和闲频光光路满足能量守恒和动量守恒，荧光路与闲频光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的信号值。本发明专利技术可以更加有效地消除非共线光参量放大荧光光谱仪系统的噪声，提高所得荧光动力学曲线的信噪比，实现更高时间分辨率的荧光光谱仪，减少测量所需时间，保证活性样品测量结果的准确性。

Data acquisition method for non collinear optical parametric amplification fluorescent spectrometer

The present invention relates to a data acquisition method for noncollinear optical parametric amplification fluorescence spectrometer, in noncollinear optical parametric amplification process, pump light, fluorescent road and idler light path satisfy the energy conservation and momentum conservation based on fluorescence road and idler light intensity is highly related, by collecting energy amplification the measured fluorescence signal and idler, and will do related operations both sampling results, the measured results of fluorescence and idler at zero delay cross-correlation results, and the results show positive square root of the signal to be measured at different time delay fluorescence kinetics curve on the value. The invention can effectively eliminate the noise of noncollinear optical parametric amplification fluorescence spectrometer system, improve the fluorescence kinetic curve of signal-to-noise ratio, fluorescence spectrometer achieve higher time resolution, reducing the time necessary for the measurement accuracy of the measurement results, ensure the activity of the samples.

【技术实现步骤摘要】
一种非共线光参量放大荧光光谱仪的数据采集方法
本专利技术涉及一种超快时间分辨荧光光谱测量技术，具体地说是一种非共线光参量放大荧光光谱仪的数据采集方法。
技术介绍
非共线光参量放大荧光光谱技术的时间分辨率可以达到10飞秒量级，用于分析体系内的能量传递、电子转移，以及结构变化等过程。非共线光参量放大荧光光谱技术的工作原理如图1(JournalOfTheOpticalSocietyOfAmericanB,2009,26,8,1627)所示。图1中“Signal”表示待测量荧光，“Pump”表示飞秒脉冲激光，即泵浦光。通常待测荧光(Signal)的持续时间远大于飞秒脉冲激光(Pump)的持续时间。在非线性光学晶体(通常BBO晶体)内，待测荧光(Signal)与飞秒脉冲激光(Pump)发生非共线光参量放大过程，使得与飞秒脉冲激光(Pump)同时通过非线性光学晶体的待测荧光的能量得到放大。飞秒脉冲激光(Pump)对待测荧光(Signal)的能量放大作用可以实现对待测荧光(Signal)的门选择。通过调节飞秒脉冲激光(Pump)与待测荧光(Signal)的光程差，实现门选择的时间延迟调节，从而获得待测荧光(Signal)的动力学曲线。对于非共线光参量放大荧光光谱技术，门选择的时间宽度主要由飞秒激光脉冲(Pump)的脉冲宽度决定，因此非共线光参量放大荧光光谱技术的时间分辨率可以达到10飞秒量级。另一方面，门选择获取的荧光光子数量直接影响非共线光参量放大荧光光谱技术测量结果的信噪比。设单脉冲激光激发样品产生的光子数为N，样品的荧光寿命为τ0，而门选择的宽度为Δτ，则非共线光参量放大荧光光谱技术所得信噪比SNR可以表示为：由(1)式可知信噪比SNR与非共线光参量放大荧光光谱技术的时间分辨率存在相互制约关系。时间分辨率越高，即Δτ越小，非共线光参量放大荧光光谱技术所得信号的信噪比SNR越小。因此对于非共线光参量放大荧光光谱技术，信号采集过程中的噪声消除非常关键。而现有的非共线光参量放大荧光光谱技术，只对能量放大的待测荧光(Signal)信号进行采集，并依靠多次累加测量结果，达到消除噪声的目的，进而提高所得荧光动力学曲线的信噪比。对于非共线光参量放大荧光光谱技术，单纯测量能量放大的待测荧光(Signal)信号的数据采集方法，具有以下两个方面的缺陷。第一，为了实现累加测量结果，消除噪声，需要进行多次数据测量，延长数据采集时间。但对于需要短时间内完成测量的样品，延长数据采集时间并不适合。如生物样品，长时间测量后其活性消失，则会影响测量结果的准确性。第二，当待测荧光(Signal)信号幅度小于噪声幅度时，多次累加测量结果并不能有效消除噪声。综上所述，现有非共线光参量放大荧光光谱技术的数据采集方法需要进一步改进。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种非共线光参量放大荧光光谱仪的数据采集方法，以解决现有技术中噪声无法有效消除以及数据采集时间过长而难以保证样品测量结果准确性问题。本专利技术是这样实现的：一种非共线光参量放大荧光光谱仪的数据采集方法，在非共线光参量放大过程中，基于泵浦光、荧光光路和闲频光光路满足能量守恒和动量守恒，荧光光路与闲频光光路的信号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值，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。所述相关运算的具体推导如下：在非共线光参量放大过程中，飞秒激光脉冲(Pump)、待测荧光(Signal)、闲频光(Idler)需要满足能量守恒和动量守恒(如图1所示)。待测荧光(Signal)能量被放大的同时，还将产生闲频光(Idler)。ωpump＝ωsignal+ωidler(2)其中，ωpump是泵浦光(Pump)的角频率，ωsignal是待测荧光(Signal)的角频率，ωidler是闲频光(Idler)的角频率。待测荧光(Signal)与闲频光(Idler)的能量均来自泵浦光(Pump)，因此待测荧光(Signal)与闲频光(Idler)两者具有良好的相关性，强度抖动同步。除了对待测荧光(Signal)的能量放大作用,光参量过程中还产生超荧光。待测荧光(Signal)光斑、闲频光(Idler)光斑、泵浦光(Pump)光斑以及超荧光环的空间几何关系，如图2所示。由图2可知，待测荧光(Signal)光斑、闲频光(Idler)光斑均叠加在超荧光背景上(闲频光(Idler)的超荧光背景在红外光区域，不可见，因此图2中未展示)，因此待测荧光(Signal)、闲频光(Idler)的信号采集需要扣除超荧光背景。在非共线光参量放大过程中，待测荧光(Signal)存在时,设待测荧光信号为s(t),相应闲频光信号为i(t)。同时考虑到噪声以及超荧光背景的影响，荧光光路信号x1(t)可以表示为：x1(t)＝s(t)+Bs(t)+n1(t)(4)其中，n1(t)为噪声项，Bs(t)为荧光光路超荧光背景。闲频光光路信号可以表示为：x2(t)＝i(t)+Bi(t)+n2(t)(5)其中，n2(t)为噪声项，Bi(t)为闲频光光路超荧光背景。对荧光光路与闲频光光路信号做相关运算，互相关函数可以表示为其中，噪声项n1(t)、n2(t)与待测荧光s(t)、闲频光i(t)、荧光光路超荧光背景BS(t)以及闲频光光路超荧光背景Bi(t)的相关性很小，超荧光背景BS(t)和Bi(t)与待测荧光s(t)、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BS(t)与Bi(t)具有高度相关性，因此上式计算结果(理想情况)为：在非共线光参量过程中待测荧光(Signal)不存在时，考虑系统噪声的影响，荧光光路信号可以表示为：x3(t)＝Bs(t)+n1(t)(8)其中，n1(t)为噪声，Bs(t)为荧光光路超荧光背景。闲频光光路信号可以表示为：x4(t)＝Bi(t)+n2(t)(9)其中，n2(t)为噪声，Bi(t)为闲频光超荧光背景。对荧光光路与闲频光光路信号做相关运算，互相关函数可以表示为：由于噪声项n1(t)、n2(t)与超荧光背景BS(t)和Bi(t)的相关性很小，超荧光背景BS(t)与Bi(t)具有高度相关性，因此(理想情况)，计算有待测荧光(Signal)条件下与无待测荧光(Signal)条件下，荧光光路与闲频光光路相关运算的差值，即：且当荧光光路信号与闲频光光路信号的时间延迟τ＝0时，Rsi取最大值。由于待测荧光(Signal)与相应闲频光(Idler)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刻t的荧光信号值。而s(t)随时间变化可以用来描绘待测样品的荧光动力学曲线。基于相关检测的非共线光参量放大荧光光谱仪的数据采集步骤如下：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、样品受激发产生的荧光经荧光收集和会聚系统成像在光参量晶体上，激发光的瑞利散射光被长波通滤光片阻挡；d本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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ωsignal与闲频光光路的中心频率ωidler之和等于泵浦光的中心频率ωpump；h-3、泵浦光的带宽为Δωp，通过单色仪狭缝控制荧光光路的带宽Δωs为3×1013～5×1013rad/s，闲频光光路的带宽Δωi满足Δωi＝(Δωs+Δωp)/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)+Bs(t)+n1(t)其中，s(t)表示待测荧光，BS(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)+Bi(t)+n2(t)其中，i(t)表示与待测荧光相对应的闲频光，Bi(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：

【专利技术属性】
技术研发人员：王凯，党伟，刘东州，李文华，赵晓辉，
申请(专利权)人：河北大学，
类型：发明
国别省市：河北,13