一种测量双光子吸收截面的方法技术

本发明专利技术公开了一种测量双光子吸收截面的方法。本发明专利技术将飞秒激光引入扫描显微系统作为光源，飞秒激光经过物镜聚焦后激发待测材料的双光子荧光信号，荧光信号进而被响应灵敏的光电倍增管接收，经过光电转换、数据采样、处理后在计算机上成像。再减去材料双光子荧光成像的背景，而后可读取材料双光子荧光成像图中荧光强度的值作为双光子荧光强度信号，代入公式计算即可得到待测材料的2PA截面。本发明专利技术提出的2PA截面测量方法基于稳定的双光子荧光显微成像系统，较传统的2PA截面测试方法，大大减小了测量结果的误差，且测量方法更为简便、可靠，适合非光学专业的人员进行操作。

A method for measuring two-photon absorption cross section

The invention discloses a method for measuring a two-photon absorption cross section. The present invention will introduce femtosecond laser scanning microscope system as the light source, through the lens of focused femtosecond laser two-photon fluorescence excitation signal to be measured materials, the fluorescence signal is then sensitive photomultiplier tube received by photoelectric conversion, data sampling and processing in computer imaging. Minus material two-photon fluorescence imaging of the background, then the fluorescence intensity reading of two-photon fluorescence imaging in value as the two-photon fluorescence intensity signal into the formula can be computed in section 2PA of the material to be measured. The 2PA section of the measurement method based on two-photon fluorescence microscopy imaging system, 2PA section of the traditional testing methods, measurement error is greatly reduced, and the measuring method is more convenient and reliable, suitable for non professional personnel to operate the optical.

【技术实现步骤摘要】
一种测量双光子吸收截面的方法
本专利技术属于光学检测领域，是一种新的测量双光子吸收截面的方法。这种测量方法可基于任何一台双光子荧光显微镜，通过双光子荧光法获取荧光材料的光强信息来测量材料的双光子吸收截面。
技术介绍
双光子荧光(Two-PhotonFluorescence,2PF)是指荧光材料在高峰值功率脉冲激光激励下同时吸收光源的两个光子跃迁到激发态，再驰豫回到基态而发射出光子的一个过程。通常使用双光子作用截面(Two-PhotonActionCross-Section,ηδ)来表征材料的双光子荧光发射效率，它表示材料吸收入射光子并发射出双光子荧光的能力，等于材料的双光子吸收截面(2PA,Two-PhotonAbsorptionCross-Section,δ)与荧光量子产率(FluorescenceQuantumYield,η)的乘积。其中，2PA截面表征材料分子发生双光子吸收的概率，反映了材料进行双光子吸收的能力。测量2PA截面的方法大致可以分为两大类，一类是从吸收截面的定义出发，进行直接测量，如非线性透过率法。用这种方法测2PA截面时，入射光功率需要很大，且所需材料的浓度比较高。此外，用此方法测量2PA截面缺乏一个参照来确定测量所用入射光功率与材料浓度是否处在一个合理的范围内。因此透过率法测得的结果容易产生比较大的误差。另外，透过率法测量对光源的功率要求比较高，普通的飞秒OPO功率往往不够，需要采用峰值功率比较高的飞秒OPA作为光源。另一种测量2PA截面的方法是从2PA截面的效果出发，进行间接测量。如双光子荧光法测2PA截面，其大致思路：材料产生的双光子荧光强度F与2PA截面δ的关系可表示为：F＝δNAcηLnI2K(1)其中，NA是阿伏加德罗常数，c是材料的摩尔浓度，η是材料的荧光量子产率，L表示材料的通光长度，I是入射光的强度，K是一个与光学系统的收集效率有关的一个常数。这种方法可以通过测量材料的双光子荧光强度从而反推出它的2PA截面。由于很难直接求得光学系统的收集效率，故通常采用比较法来测量，即寻找一个与待测样品双光子荧光光谱接近、且2PA截面已知的参照材料，在相同的光学环境下分别测量它们的双光子荧光，再通过参照材料的2PA截面推算出样品的2PA截面。其计算公式：其中下标1与0分别代表样品与参照材料。由于K是一个与光学系统的通光长度与收集效率有关的常数，因此在相同的光学测量环境下，K值是相同的，即K1＝K2。所以，只要在相同的光学环境下，分别测得两者的双光子荧光强度F1、F0，并且知道它们的摩尔浓度c1、c0，荧光量子产率η1、η0，溶液的折射率n1、n0，以及参照材料的2PA截面δ0，就可以得到样品的2PA截面δ1。相较于非线性透过率法，双光子荧光法的优势主要有两点。一、双光子荧光强度与入射光强度成平方关系，可以在实验过程中减少其他非线性吸收及线性吸收带来的影响。二、荧光法测量中所用的入射光功率与材料浓度分别比透过率法低很多，这也大大减少了其他非线性吸收与线性吸收的贡献。通过减少这些干扰，双光子荧光法通常可以比非线性透过率法测得更为准确的2PA截面。2PA截面没有成熟的商业化仪器可以使用，一般都需要自己搭建光路来测量材料的荧光光谱，进而对光谱强度进行波长积分，并用公式(2)进行计算的。然而，通过光谱仪测量的是荧光材料发射的荧光信号被散射的部分，而这部分荧光是很弱的，且容易受到环境中其他杂散光的影响，因此所测得的信号有比较大的误差。为了解决这个问题，进一步提高检测的精度，本专利技术设计了一种新的测量双光子吸收截面的方法，即直接用双光子荧光显微镜来获得待测样品的双光子荧光光强信号，进而用公式(2)计算得到其2PA截面。
技术实现思路
本专利技术基于双光子荧光显微镜，提出了一种全新的双光子吸收截面测量方法。本专利技术将飞秒激光引入扫描显微系统作为光源，飞秒激光经过物镜聚焦后激发待测材料的双光子荧光信号，荧光信号进而被响应灵敏的光电倍增管(PhotonmultiplierTube，简称PMT)接收，经过光电转换、数据采样、处理后在计算机上成像。再减去材料双光子荧光成像的背景，而后可读取材料双光子荧光成像图中荧光强度的值作为双光子荧光强度信号，代入公式(2)计算即可得到待测材料的2PA截面。本专利技术采用的技术方案是：2PA截面测量系统基于双光子荧光显微成像系统，主要包括飞秒激光光源、二向色镜、PMT、信号放大器、计算机等。双光子荧光显微成像系统可以针对所激发的荧光材料的特性，选择合适波长的飞秒激光光源以及合适的PMT接收荧光信号，通过程序读取光强信息，代入计算公式(2)就可以算出材料的2PA截面。本专利技术的效益：本专利技术提出的2PA截面测量方法基于稳定的双光子荧光显微成像系统，较传统的2PA截面测试方法，大大减小了测量结果的误差，且测量方法更为简便、可靠，适合非光学专业(如材料、化学、生物等)的人员进行操作。附图说明图1为用于测量荧光材料2PA截面的双光子显微成像系统示意图；图2为用双光子显微成像系统测得的毛细管内荧光材料的双光子荧光成像图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步说明。如图1所示，本专利技术中的测量系统基于双光子荧光显微成像系统，主要包括飞秒激光光源、振镜扫描单元、二色镜、PMT、信号放大器、数据采集卡、计算机等。振镜扫描单元、二色镜、PMT等构成扫描显微系统[这里以奥林巴斯正置扫描显微成像系统(Olympus,BX61+FV1200)为例]首先，外置的飞秒激光引入奥林巴斯正置扫描显微成像系统(Olympus,BX61+FV1200)，进入振镜扫描单元后经扫描透镜(scanlens)与镜筒透镜(tubelens)形成扩束光束再经一块长反短通(截止波长：980nm)二向色镜反射，由物镜会聚激发荧光材料，产生双光子荧光信号，材料激发出的荧光沿原光路返回，通过980nm长反短通二向色镜，以及相应的滤光片(进一步滤除飞秒激发光)后被响应灵敏的PMT接收；PMT将模拟信号转换为数字信号，经过信号放大器放大后被计算机采集，系统内的振镜扫描单元也与计算机连接以实现信号扫描的同步。通过这样一套系统，可以得到材料的双光子荧光显微成像图(如图2)。图2中的荧光强度F1可先用程序1减去背景光，再用MATLAB程序2计算得到。用同样的方法得到参照荧光染料罗丹明Rh6G的双光子荧光强度F0。之后将待测材料与参照材料的光强信息F1和F0代入公式(2)可以算出材料的2PA截面。本实例中采用了大模场面积(large-mode-area)掺Yb(ytterbium-doped)的光子晶体光纤(PhotonicCrystalFiber,PCF)激光器(脉宽:140fs，重复频率:50MHz，波长:1040nm)作为飞秒光源。二色镜是截止波长为980nm的长反短通二向色镜，二色镜之后的滤光片是590nm的长通滤光片；物镜是奥林巴斯的25倍水镜，工作距离为2mm，且在400nm～1600nm光波段具有良好的透过率；PMT可以响应185-800nm波段的光信号。所选用的双光子荧光材料选用半导体聚合物纳米颗粒(SemiconductingPolymerDots,P-dots)，其吸收光谱位于350-450nm，荧光峰在650nm左右。罗丹本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种测量双光子吸收截面的方法，所使用的装置包括飞秒激光光源、振镜扫描单元、二色镜、光电倍增管、信号放大器和计算机，其特征在于：外置的飞秒激光光源所发出的激光进入振镜扫描单元后经扫描透镜与镜筒透镜形成扩束光束，再经一块长反短通二向色镜反射，由物镜会聚激发荧光材料，产生双光子荧光信号，材料激发出的荧光沿原光路返回，通过长反短通二向色镜，以及用于滤除飞秒激发光的滤光片后被响应灵敏的光电倍增管接收；光电倍增管将模拟信号转换为数字信号，经过信号放大器放大后被计算机采集；所述的振镜扫描单元与计算机连接以实现信号扫描的同步；通过上述过程，得到材料的双光子荧光显微成像图，再从该显微成像图获取荧光强度

【技术特征摘要】
1.一种测量双光子吸收截面的方法，所使用的装置包括飞秒激光光源、振镜扫描单元、二色镜、光电倍增管、信号放大器和计算机，其特征在于：外置的飞秒激光光源所发出的激光进入振镜扫描单元后经扫描透镜与镜筒透镜形成扩束光束，再经一块长反短通二向色镜反射，由物镜会聚激发荧光材料，产生双光子荧光信号，材料激发出的荧光沿原光路返回，通过长反短通二向色镜，以及用于滤除飞秒激发光的滤光片后被响应灵敏的光电倍增管接收；光电倍增管将模拟信号转换为数字信号，经过信号放大器放大后被计算机采集；所述的振镜扫描单元与计算机连接以实现信号扫描的同步；通过上述过程，得到材料的双光子荧光显微成像图，再从该显微成像图获取荧光强度F1；然后以同样的方式...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱骏，努尔尼沙·阿力甫，汪亚伦，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33