[发明专利]一种单脉冲激光诱导瞬态分子荧光光谱的测量方法及系统

说明书

本发明提供一种单脉冲激光诱导瞬态分子荧光光谱的测量方法及系统，其利用飞秒激光诱导荧光发射技术激发样品产生待测荧光，荧光沿激发光的传播方向被反向收集；一个线性啁啾脉冲与待测荧光信号在二阶非线性介质中相互作用产生和频光信号；作用后的啁啾脉冲内会出现一个强度凹陷，将具有强度凹陷的啁啾脉冲经时间放大系统进行时间展宽；被展宽的具有凹陷的啁啾脉冲和一个线性啁啾脉冲的分量一起被高速响应的光电探测器探测，并输出两个信号被高速示波器记录并测量，处理后便可以获得经时间放大后的瞬态分子荧光信号光谱。本发明技术可以对单个飞秒脉冲激发的分子荧光光谱进行快速测量，获得具有高分辨率、实时性、连续的单帧荧光信号光谱，是一种针对不可重复的物理过程或不可逆的瞬态过程进行快速光谱测量的方法。

技术领域

本发明涉及超快激光与激光光谱测量领域，具体涉及的是超快飞秒光学、光与物质相互作用物理，以及非线性光谱技术。

背景技术

激光诱导荧光光谱测量技术是指利用激光激发分子/原子的电子跃迁至高能级态，并针对电子能级回迁所辐射的荧光信号进行测量。由于分子荧光光谱与激发光源的波长无关，只与荧光物质本身的能级结构有关，所以可以根据荧光谱线对荧光物质进行定性(或定量)的分析鉴别。因为激光诱导荧光的收集与检测方向与激发光不同，因此该技术可以规避激发光的强背景噪声，实现高灵敏度的分子检测。

超短脉冲技术使得时间可分辨的分子荧光光谱测量成为可能。超短脉冲可以在飞秒(1fs＝10^-15s)至皮秒(1ps＝10^-12s)时间尺度内，激发分子/原子体系的电子能级跃迁，为研究分子荧光的时间演化过程提供了可靠光源。基于超短脉冲的时间分辨荧光光谱技术可以用于测定荧光寿命、量子脉冲频谱、驰豫现象等基础物理过程，对生物学、分子化学、医学等具有重要的应用价值。

目前，研究分子荧光动态过程的方法可以大致分为直接测量技术与泵浦-探测技术。直接探测技术是指利用高速响应的探测器直接对经过光学滤波的分子荧光信号进行探测。此时，探测器的输出信号可以直接反映出荧光强度随时间演化的情况。这种方法操作简单，其时间分辨率在亚纳秒量级(10^-8-10^-19s)，由探测器以及记录信号的数据采集器的响应时间决定。然而诸如分子间能量或电子转移、分子振动转动等过程都是在皮秒，甚至飞秒量级。所以，该技术无法针对分子超快过程引起的荧光信号变化进行测量。

泵浦-探测技术是指通过调节泵浦光和探测光之间的光程差(延迟时间差)，在不同延迟时间下测量信号的变化，是一种具有高时间分辨率的光谱动力学测量技术。但是该技术需要对荧光信号进行多周期光学采样测量，因此无法实现对分子荧光信号的瞬态过程或是不可重复的信息进行实时测量。

此外，时间拉伸的瞬态傅里叶变换光谱技术可以实现对信号光谱精确、快速的实时测量。但是该技术对脉冲测量的前提是，被测脉冲处于其傅里叶变化极限状态，即脉冲的啁啾量为零，或者说脉冲的脉宽与其光谱形状为傅里叶变化关系。然而，分子荧光信号是非相干光，不能通过时间拉伸的方式展现频率特性，因此该技术无法直接适用于测量分子荧光光谱。

综上所述，虽然激光诱导分子荧光测量为光谱遥感、非线性光物理研究等领域提供了重要的研究与测量手段，但是该技术在高时间分辨率与对分子瞬态过程的测量方面仍然或多或少地存在着技术不足和缺陷。

发明内容

本发明针对上述现有技术的不足之处，提供一种单脉冲激光诱导瞬态分子荧光光谱的测量方法及系统，可以实现对激光诱导荧光光谱的高分辨率、高速实时测量。

本发明目的实现由以下技术方案完成：