纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源

摘要

一种能应用于纳秒量级荧光寿命测量的纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源，光源波长可以从940nm改变到380nm，可以被10MHz到50MHz的高频周期信号调制，并且能监测光源的驱动信号。本发明结构简单，易于制作，体积小，可以把光源放入荧光光谱仪的样品室工作。采用通用简式晶体振荡器提供温度稳定度量级为±10ppm/0～±50℃的高频方波电压作高频调制信号，加至三极管基极控制其集电极电流，驱动发光二极管发光。输出光强起伏对比度优于0.5，并有缓冲放大器监测发光二极管的驱动电压，从而为改进的相调制法荧光寿命的测量提供一个稳定的参考信号。

说明书

技术领域

本发明属于光电结合技术的调制光源范围，涉及一种纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源。

背景技术

荧光寿命是指电子在激发态的统计平均停留时间，是发光材料研究的重要参数，也是化学、生物等领域研究的重要参数。根据材料的不同，以及跃迁过程的不同，荧光寿命值覆盖从飞秒(fs，10^-15s)到毫秒(ms，10^-3s)甚至更长的范围。微秒、毫秒级的寿命测量，技术上已经十分成熟。较为困难的是纳秒(ns，10^-9s)、皮秒(ps，10^-12s)、飞秒量级的寿命测量。针对纳秒到皮秒量级荧光寿命的测量手段主要有①时间相关单光子计数法，可以测到数十皮秒；②频闪技术，即取样法；③相调制法。

其中相调制法，有原理、设备简单易行的优点。其原理为：用角频率为ω的正弦调制激发光E(t)，激发被测样品。设样品的荧光寿命为τ，稳态下激发光E(t)和样品的发射光I(t)可分别表示为：

                E(t)∝1+m sin(ωt)，-1＜m＜1

    I(t)∝1+[m/(1+ω²τ²)^1/2]sin(ωt-φ)，φ＝arctan(ωτ)

与E(t)相比，I(t)有相同的频率ω，但相位滞后了。根据相调制法原理，测得两波形的相位角或调制度之比，就能得到荧光寿命τ值。

但对纳秒量级测量，相调制法要求激发光源的调制频率范围为数十到数百兆赫兹，并且要严格正弦。普通的光源难以满足这样的要求，需要进行特殊的调制手段。以Jobin Yvon Inc.公司的FluorologTau-3Lifetime System为例，采用的是调制氙灯出射光的办法。利用的是晶体在电场下的泡克耳斯效应调制光强大小。这样的设备可以保证激发光被100kHz-310MHz频率调制，并且严格正弦。但电光效应通常需要千伏左右的高压，以及晶体、电场、光路之间的良好配置，技术难度较大。

用改进的相调制法测量荧光寿命，只需要采用周期性的激发光(不要求正弦，是周期信号即可)，从而样品发光也是周期性的。由于周期信号可以展开为多级傅立叶级数，则可以提取激发光和样品发光信号的一级傅立叶级数，从而可由相调制法原理求得荧光寿命值。这样，对激发光的要求就降低了，不需要严格正弦，是周期信号即可。对于纳秒量级荧光寿命测量，该方法就需要一种受高频周期信号调制的光源。目前，超短脉冲激光器、纳秒量级脉冲信号调制的发光二极管等脉冲宽度处于或优于纳秒量级的光源，由于重复频率低、体积大等原因不能满足要求。因此用改进的相调法测量纳秒量级荧光寿命，需要一种结构简单、体积小的高频调制激发光源。

发明内容

本发明的目的为了满足改进的相调制法测量纳秒量级荧光寿命的激发光源的要求，提供一种纳秒级荧光寿命测量用高频调制光源。其特征在于：所述纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源包括发光二极管2、三极管3、晶体振荡器1和缓冲放大器5。三极管2的集电极2-2与发光二极管3的负引脚3-2连接，三极管2的发射极2-3串接一限流电阻4后接地，发光二极管3的正引脚3-1与电源Vcc连接，晶体振荡器1输出端1-2和三极管2的基极2-1连接，电源端1-1与电源Vcc连接。缓冲放大器5的输入端5-1与三极管2的发射极2-3连接，缓冲放大器5的正电源端5-2与电源Vcc连接，负电源端5-3与另一电源Vee连接，输出端5-4连接到参考信号输出端6。当三极管2的基极2-1电压较高时，三极管2工作在放大或饱和区，集电极2-2流过较大电流，发光二极管3被点亮或者光强变强；当三极管2的基极2-1电压较小时，三极管2工作在截止区，集电极2-2几乎没有电流流过，发光二极管3不发光或者光强变弱。三极管2基极2-1的电压控制流过发光二极管3的电流。晶体振荡器1和三极管2构成发光二极管3的光强调制电路，晶体振荡器1输出端1-2输出为0到5V之间的占空比50％高频方波电压信号，控制三极管2的导通和截止，调制发光二极管3的输出光强。缓冲放大器5监测与发光二极管3两端之间的电压等价的限流电阻4两端之间的电压的变化，其输出端5-4连接到参考信号输出端6，输出电压用于改进的相调制法测量荧光寿命的参考信号。

本发明的有益效果是1.由于采用发光二极管作调制光源的发光器件，晶体振荡器和三极管调制发光二极管的输出光强，使整个调制光源结构简单、体积缩小、易于制作，可以把光源放入荧光光谱仪的样品室工作；2.发光二极管是近年蓬勃发展的新型电致发光器件，由于其具有响应速度在纳秒量级，可选波长范围可从红外到深紫外，单色性好，光通量较高，调制手段简单等优点，用作纳秒量级荧光寿命测量的激发光源的发光器件，输出光强起伏对比度优于0.5，满足了背景技术中用改进的相调制法测量纳秒量级荧光寿命所需的高频调制激发光光源的要求。

附图说明

图1为纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源的电路原理图。

图2为纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源的实测驱动电压波形和输出光波形图。201是实测驱动电压波形图，202是输出光波形图

具体实施方式

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：图1示出了本发明的实施方式电路原理图，所述的纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源中，三极管2的集电极2-2与发光二极管3的负引脚3-2连接，发光二极管3的正引脚3-1与电源Vcc连接，三极管2的发射极2-3串接一限流电阻4后接地，晶体振荡器1输出端1-2和三极管2的基极2-1连接。缓冲放大器5的输入端5-1与三极管2的发射极2-3连接。当三极管2的基极2-1电压较高时，三极管2工作在放大或饱和区，集电极2-2流过较大电流，发光二极管3被点亮或者光强变强；当三极管2的基极2-1电压较小时，三极管2工作在截止区，集电极2-2几乎没有电流流过，发光二极管3不发光或者光强变弱。三极管2基极2-1的电压控制流过发光二极管3的电流。晶体振荡器1输出端1-2输出为0到5V之间的占空比50％高频方波电压信号控制三极管2的导通和截止，调制发光二极管3的输出光强，产生测量荧光寿命所需的高频调制激发光。缓冲放大器5监测与发光二极管3两端之间的电压等价的限流电阻4两端之间的电压的变化，其输出为荧光寿命的测量提供一个稳定的参考信号。晶体振荡器1是通用简式晶体振荡器。三极管2是NPN双极晶体管或PNP双极晶体管，其带宽至少为300MHz。发光二极管3为纳秒量级响应速度的窄光谱发光二极管。根据被测样品对激发光波长的要求，在特征波长从940nm到380nm范围内选择发光二极管。缓冲放大器5的带宽至少应为驱动电压重复频率10倍以上。

图2示出本实施例的实测驱动电压波形图201和输出光波形图202。输出光202作改进的相调制法测量荧光寿命用的激发光，驱动电压201是缓冲放大器5在限流电阻4两端监测电压的输出信号，可用于改进的相调制法测量荧光寿命用的参考信号。

本发明的工作原理是：通用简式晶体振荡器作为高频信号源，和三极管构成高频调制电路控制发光二极管强度的变化。由于发光二极管的光强与工作电流的大小几乎成正比，从而实现了高频信号对光源发光强度的调制。由于晶体振荡器输出信号的温度稳定度很高，典型值±10ppm/0～±50℃，输出频率范围从数千kHz到160MHz，所以光源的光强能达到相应的稳定度，而频率范围则由于受发光二极管的响应速度的限制，最高仅到60MHz。缓冲放大器5具有很高的输入电阻(MΩ量级)，对原电路影响小，因此可以在不影响发光二极管3工作的同时监测其两端电压的变化。同时缓冲放大器5的输出电阻为50Ω，与同轴电缆的特性阻抗相匹配，能不失真地将输出端的电压信号传输至荧光寿命的测量装置，从而为改进的相调制法荧光寿命的测量提供一个稳定的参考信号。由于方波的频率成分丰富，缓冲放大器5的带宽应为驱动电压重复频率的10倍以上，并且其电源电压、输入输出电压范围要合适(0～5V)。本实施例采用MAX4201(-3dB带宽：780MHz，电源电压：±5V，可单电源工作；输入电阻：500kΩ；输入电压范围：2.75V～-4.8V；输出电压范围：±2.1V)。发光二极管3的负引脚3-2处电压值的峰值略高于2.1V，超出了MAX4201的输出电压范围，因此将缓冲放大器5输入端连接于三极管3的发射极与限流电阻4之间，监测与发光二极管3两端之间的电压等价的限流电阻4两端之间的电压。三极管2采用带宽200MHz的BC337。由于发光二极管光谱窄(典型值10nm)，更换不同特征波长的发光二极管，就可以实现高频调制光源输出激发光波长从940nm到380nm的改变。更换不同本征频率的晶体振荡器，就可以实现调制频率从10MHz到50MHz的改变。