專利名稱：一種上轉換發(fā)光絕對量子產率測試系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學儀器與光譜分析技術，提供了一種上轉換發(fā)光絕對量子產率測試系統(tǒng)。
背景技術：
隨著發(fā)光材料在能源、醫(yī)療和通訊等領域的廣泛應用，高性能熒光材料的制備已成為這些領域的研究熱點與前沿，而此類材料量子效率的高低直接影響著它們的性能優(yōu)劣。隨著應用領域的不斷拓展，特別是熒光粉、熒光探針、光量子器件類材料在照明顯示、生醫(yī)診斷、激光通訊等領域的廣泛應用，研究者對量子產率測量的需求已經由傳統(tǒng)的紫外可見波段延伸至近紅外波段，并隨著上轉換發(fā)光材料在生物標記和成像領域所展現出的巨大應用前景，出現了對上轉換絕對量子產率測量的迫切需求。熒光量子產率也叫熒光效率或量子效率，它表示物質發(fā)射熒光的能力，通常用下式表不
Φ=發(fā)射熒光量子數/吸收光量子數[1]
它的數值在通常情況下總是小于1。Φ的數值越大則化合物的熒光越強，而無熒光的物質的熒光量子效率卻等于或非常接近于零。熒光量子效率一般有參比法和直接法兩種測量方法。早期一般采用參比法得到相對量子效率，此法目前仍廣泛應用于化學和材料領域，需要待測試樣與標樣激發(fā)和發(fā)射波段相近，而且由于待測和參比試樣的光譜線型差異最終只能得到相對量子效率，精度也無法保證。而直接法則是利用積分球和光譜儀直接測量材料的發(fā)光絕對量子產率，已成為大家廣泛使用的標準方法。不過，現有的商用絕對量子產率測試系統(tǒng)一般都基于200-800nm 左右響應的光譜系統(tǒng)，所以無法完成擴展至近紅外波段的量子效率測試。國外新報道的能夠實現200-1700nm探測的非商用系統(tǒng)由于需要多個探測器和分光光路分段掃描的方式， 導致測量程序復雜，且因校正和接譜誤差而難以保證測量精度，最終無法廣泛應用于常規(guī)上轉換效率的測量。該問題在600-800nm波段沒有明顯發(fā)射的試樣的測試上表現的特別明顯——主要是由于可見和近紅外波段兩個光探測器的量子效率和暗噪聲有著巨大差別，再加上兩段譜線采用的不同分光光路響應也差別很大，因此很難對兩段譜線的儀器響應進行可靠的校正和歸一化。此外，不同樣品需要不同的狹縫寬度和校正曲線導致的繁瑣，又使得系統(tǒng)不具備通用性。上轉換材料作為一類特殊的光頻轉換材料，隨著激光誘導發(fā)光技術的應用正在日益顯露出其在顯示、防偽和生物標記等領域的巨大應用前景。而用于評價此類材料上轉換能力的關鍵性指標——上轉換量子效率的測量手段國內還未見報道，國際上極少數已報道的系統(tǒng)也由于上述原因使得其精確性和易用性大打折扣，難以廣泛應用。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供一種上轉換發(fā)光絕對量子產率測試系統(tǒng)，它既可以通過采用單一探測光路有效避免繁瑣的分段掃描測試方案所引入的誤差，測試發(fā)光材料紫外-近紅外波段發(fā)射的量子效率，也可以在此基礎上通過光纖耦合和添加中性濾波片有效提高系統(tǒng)工作的動態(tài)范圍從而更好的測試固體、溶液和薄膜材料在紫外-近紅外波段上轉換發(fā)射的量子效率。本發(fā)明提供了一種上轉換發(fā)光絕對量子產率測試系統(tǒng)，主要由泵浦光源和耦合光路、積分球和光纖耦合收集光路、分光系統(tǒng)、信號與數據采集系統(tǒng)四大部分構成(如圖1)。其特征在于泵浦光源耦合系統(tǒng)可靈活更換泵浦光源，并可調節(jié)束斑尺寸；采用光纖耦合收集光信號的積分球系統(tǒng)，該系統(tǒng)內可裝載液體、粉末、塊材和薄膜樣品，光纖耦合系統(tǒng)前端可插入包括中性濾波片在內的光學元器件；分光和探測系統(tǒng)采用“單一光柵+單一探測器” 的架構，使得系統(tǒng)能在紫外-近紅外波段(300-1700nm)以較高的動態(tài)范圍和靈敏度完成常規(guī)效率下轉換和上轉換絕對量子產率的測試。所述系統(tǒng)的激光泵浦光源和耦合光路中，泵浦光源耦合裝置采用可更換式設計， 方便不同接頭和輸出波長的激光耦合，利用共軸透鏡系統(tǒng)靈活調節(jié)匯聚光斑尺寸，從而改變試樣上的泵浦功率密度。即采用機械耦合裝置實現不同接口的激光光源的共軸接入，利用圖1中耦合透鏡0的共軸移動改變試樣上匯聚束斑的尺寸，從而優(yōu)化上轉換效率。另外， 泵浦光源一般采用功率可調節(jié)的激光，以方便不同類型試樣的測試。所述系統(tǒng)的積分球和光纖耦合收集光路中，積分球采用單一輸入和輸出口的積分漫反射系統(tǒng)，有效減少光損失，出口方向呈45度角放置擋光板，有效降低輸出光的各向異性，試樣放置積分球內的位置有直接和間接兩種，直接位置處于球體中軸線上，直接位置放置的試樣高度適當調整后可位于積分球中心，泵浦光束匯聚后剛好達到直接位置放置的試樣上。收集耦合光路前方可插入中性濾波片，可進一步提高系統(tǒng)動態(tài)范圍3飛個量級，輸出口采用透鏡耦合至石英光纖束，光纖束尾端與單色儀的耦合接口采用線狀排列，在保證分辨率的條件下進一步提高光通量，保證上轉換效率測試的精度。所述分光系統(tǒng)采用寬波段響應的單光柵單色儀，通過選用寬波段響應的光柵配合寬波段響應的光電倍增管(PMT)探測器，實現紫外-可見-近紅外寬波段光譜的一次測量， 避免了多光路、多探測器多段測量所帶來的校正困難和實驗誤差。也省去了多光路測量過程中每次都需要針對不同狹縫寬度獲取校正曲線的繁瑣步驟，一次獲取的校正曲線可長期使用，從而提高了系統(tǒng)的測量精度和效率。所述信號和數據采集系統(tǒng)采用靈明度高的寬波段響應光電倍增管(PMT)獲取信號，多通道光子計數卡采集信號，獲取的信號標度以光子數為單位，更利于量子效率的計算。光子計數模式高達IO6量級的動態(tài)范圍也為效率測試的精度提供了有效的保障。該系統(tǒng)不僅能實現上轉換量子效率測試(如圖2)，同樣適用于寬波段的下轉換發(fā)光量子效率測試。


圖1 上轉換量子效率測試儀器原理和測試方法； 圖2:上轉換效率測試實例。
具體實施方式
實例1 上轉換發(fā)射的量子效率測試
粉體樣品裝入特制拋光帶槽的石英片凹槽處，用蓋板石英片壓好后夾持于帶四方底座的聚四氟乙烯插槽內，打開積分球，將裝好試樣的底座放置于樣品架上正入射位置，并調整角度讓試樣架的四方底座正好嵌入積分球內樣品架的的直接入射位置上；溶液樣品裝入標準帶塞石英比色皿，插入積分球內樣品架的直接入射位置上；塊材和薄膜樣品可以直接插入聚四氟乙烯的插槽內適當調整露出需要測試的部分，再插入積分球內樣品架。選擇合適的激光光源作為激發(fā)源，通過調節(jié)耦合透鏡的前后位置使得入射光斑以合適的尺寸正入射到試樣上，通過看譜鏡等設備初步監(jiān)測上轉換強度，以此粗調入射光斑尺寸和激發(fā)光功率至合適大小。蓋好積分球，根據經驗和需要將入射光波長和強度粗調到合適大小，通過發(fā)射單色掃描得到包含激發(fā)散射的發(fā)射譜，在對所得結果進行分析的基礎上，通過改變入射光強、 選段(激光散射波段)添加合適的中性濾波片、調整發(fā)射狹縫、改變儀器積分時間等方法獲取系統(tǒng)工作動態(tài)范圍(106)內最高信噪比的全譜數據。打開積分球，更換試樣架位置至間接入射位(具體位置示意如圖1一右側)，蓋好積分球，在同樣條件下采集得到間接入射位置的激發(fā)散射譜段數據，如果發(fā)現激發(fā)散射部分數據超過系統(tǒng)動態(tài)范圍則需要換用更高OD值的中性濾波片重新獲取直接和間接入射實驗的全譜數據。所得全譜數據分別對濾波片和儀器響應校正后(如圖2)，就可以依據公式[1]，采用下式A=PtJ (Ie-Lb)
算得所測試樣的該波段的上轉換量子效率?，F對于目前已有的測量方法，本方法具有如下的明顯優(yōu)勢
1. 省卻了多光路、多探測器、多波段分段掃描的繁瑣步驟，從而不需要對每種實驗條件都利用標準光源做強度校正實驗，不需要對不同探測器分段校正，大大提高了測量精度和效率。2. 積分球利用單出口和光纖耦合輸出，提高了輸出光通量；配合適當的中性濾波片，可以工作在更高的動態(tài)范圍之下。3. 采用改進的量子效率測試方案，利用直接和間接入射結合的方案來測算量子效率，使得實驗的精度進一步提高。實例2 紫外-近紅外寬波段發(fā)射的量子效率測試
粉體樣品裝入特制拋光帶槽的石英片凹槽處，用蓋板石英片壓好后夾持于帶四方底座的聚四氟乙烯插槽內，打開積分球，將裝好試樣的底座放置于樣品架上正入射位置，并調整角度讓試樣架的四方底座正好嵌入積分球內樣品架的的直接入射位置上；溶液樣品裝入標準帶塞石英比色皿，插入積分球內樣品架的直接入射位置上；塊材和薄膜樣品可以直接插入聚四氟乙烯的插槽內適當調整露出需要測試的部分，再插入積分球內樣品架。選擇合適的激光光源或者光譜系統(tǒng)上激發(fā)單色儀分出的單色光作為激發(fā)源，通過調節(jié)耦合透鏡的前后位置使得入射光斑以合適的尺寸正入射到試樣上。蓋好積分球，根據經驗和需要將入射光波長和強度粗調到合適大小，通過發(fā)射單色掃描得到包含激發(fā)散射的發(fā)射譜，在對所得結果進行分析的基礎上，通過改變入射光強、 添加合適濾色片(包括選段添加中性濾波片)、調整發(fā)射狹縫、改變儀器積分時間等方法獲取系統(tǒng)工作動態(tài)范圍(106)內最高信噪比的全譜數據。打開積分球，更換試樣架位置至間接入射位，蓋好積分球，在同樣條件下采集得到間接入射位置的全譜數據，如果發(fā)現激發(fā)散射部分數據超過系統(tǒng)動態(tài)范圍則需要換用更高 OD值的濾波片，并重新獲取直接和間接入射實驗的全譜數據。所得全譜數據分別對濾波片和儀器響應校正后，就可以依據公式[1]算得所測試樣的該波段的量子效率。相對于已有的測量方法，本方法具有如下的明顯優(yōu)勢
1.利用“單一光柵+單一探測器”的架構，可以工作在300-1700nm的寬波段范圍，省卻了多光路、多探測器、多波段分段掃描的繁瑣步驟，從而不再需要對每種實驗條件都利用標準光源做強度校正實驗，不需要對不同探測器分段校正，接譜的困難也得到解決，效率和精度都有較大提高。2.積分球利用單出口和光纖耦合輸出，提高了輸出光通量，配合適當的中性濾波片，可以讓儀器工作在比傳統(tǒng)測量系統(tǒng)高3-4個數量級的動態(tài)范圍之下。
權利要求
1.一種上轉換發(fā)光絕對量子產率測試系統(tǒng)，主要由泵浦光源和耦合光路、積分球和光纖耦合收集光路、分光系統(tǒng)、信號與數據采集系統(tǒng)四大部分構成。
2.根據權利要求1所述的上轉換發(fā)光絕對量子產率測試系統(tǒng)，其特征在于光源耦合系統(tǒng)可靈活更換泵浦光源，可調節(jié)束斑尺寸。
3.根據權利要求1所述的上轉換發(fā)光絕對量子產率測試系統(tǒng)，其特征在于采用光纖耦合收集光信號的積分球系統(tǒng)，積分球系統(tǒng)可裝載液體、粉末、塊材和薄膜樣品，光纖耦合系統(tǒng)前端可插入包括中性濾光片在內的光學元器件。
4.根據權利要求1所述的上轉換發(fā)光絕對量子產率測試系統(tǒng)，其特征在于分光和探測系統(tǒng)采用“單一光柵+單一探測器”的架構，使得系統(tǒng)能在紫外/可見/近紅外波段， 300-1700nm,以較高的動態(tài)范圍和靈敏度完成常規(guī)絕對量子產率和上轉換絕對量子產率的測試。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種上轉換發(fā)光絕對量子產率測試系統(tǒng)。主要由泵浦光源和耦合光路、積分球和光纖耦合收集光路、分光系統(tǒng)、信號與數據采集系統(tǒng)四大部分構成。其特征在于泵浦光源耦合系統(tǒng)可靈活更換泵浦光源，并可調節(jié)束斑尺寸；采用光纖耦合收集光信號的積分球系統(tǒng)，積分球系統(tǒng)可裝載液體、粉末、塊材和薄膜樣品，光纖耦合系統(tǒng)前端可插入包括中性濾光片在內的光學元器件；分光和探測系統(tǒng)采用“單一光柵+單一探測器”的架構，使得系統(tǒng)能在紫外/可見/近紅外波段(300-1700nm)以較高的動態(tài)范圍和靈敏度完成上、下轉換發(fā)光的絕對量子產率的測試。
文檔編號G01J3/02GK102359817SQ20111024219
公開日2012年2月22日 申請日期2011年8月22日 優(yōu)先權日2011年3月8日
發(fā)明者朱浩淼, 陳學元, 馬恩 申請人:中國科學院福建物質結構研究所