2019-06-12
2019年5月，北京佳诺贝与中科院物理所达成非线性条纹相机的合作意向！非线性条纹相机可满足用户测量荧光寿命、超高时间分辨、拉曼光谱等多样化需求，并广泛应用于光学、光电子学、微电子学、计算机控制，精密机械加工等领域。
想快速、准确地解高端、大气、上档次的非线性条纹相机吗？欢迎随同小编，让我们先从它基于NOPA原理的荧光非共线光参量放大技术开始探索之旅吧！
什么是荧光非共线光参量放大技术？
荧光非共线光参量放大技术（fluorescence noncolinear optical parametric amplification, FNOPA）是基于NOPA原理而发展起来的瞬态荧光测量技术，这种技术可以实现对微弱荧光信号的飞秒时间分辨测量。
研究历程——荧光非共线光参量放大技术：
光参量放大的基本原理
利用非共性相位匹配的方法，可有效加宽飞秒光参量放大的增益带宽，并且证明，信号光和闲频光的群速度匹配是实现宽带运转的条件。如图1所示，泵浦光、信号光以及闲频光在BBO晶体内以特定的角度混合在一起，可以较宽的光谱范围内满足能量守恒和动量守恒关系。α和β分别为晶体内信号光、闲频光与泵浦光之间的夹角，Θ为泵浦光的传播方向与晶体光轴方向的夹角。非共性角度α大小的选取，对于宽带增益条件的满足十分重要。
非共线光参量放大的原理示意图：
荧光光参量放大系统的基本构成
飞秒时间分辨荧光光参量放大系统和通常所用的NOPA装置十分相似，其主要区别在于：用飞秒脉冲所激发的荧光信号来代替超连续白光作为参量放大的种子光，系统的基本构成如图2所示。中间较大的虚线框内表示荧光的产生及收集装置。BS-分束片；BBD-β相偏硼酸钡晶体；400nmHR-400nm高反射镜；CCD-CCD光谱仪；两个小的虚线框表示泵浦光源可以在光参量放大器（NOPA）和二次谐波产生装置（SHG）间相互切换。
具体来说，飞秒再生脉冲放大系统出射的800nm的脉冲光经分束片后分为两束。其中一束经过一对凸透镜和凹透镜组成的望远镜系统进行缩束，再进入BBO倍频晶体（L=2mm, Θ=29.2°, Φ=0°），产生400nm的光脉冲，用途光参量放大系统的泵浦光。为避免过强的基频光聚集在BBO中对晶体造成损坏，或是产生不必要的干扰信号，经过倍频晶体后的光束采用在800nm处高透射率、400nm处高反射率的镀介质膜反射镜进行反射，然后经长焦的石英透镜聚集在BBD晶体（L=2mm, Θ=32°, Φ=0°）中。一般情况下，泵浦光能量约为30uJ/脉冲，聚焦在晶体中的直径约为0.3mm。
而另一束800nm的基频光经过光学延迟线（光学延迟平台）后进入到自制的NOPA系统以产生特定波长的脉冲光。通常所采用的光学延迟线是：由精密电动平移台和两面互相垂直的反射镜组成的延时线。
利用NOPA系统可以将800nm的基频光转变为实验中样品激发所需的波长，即只须将超连续白光作为信号光，将800nm基频光倍频后用途泵浦光。另外，如果待测样品仅需要400nm的激光进行激发，只需将基频光进行缩束后直接通过BBO晶体进行倍频。
经过适当的滤光片及透镜后，激发光聚集在样品池中激发样品，产生荧光。
样品所产生的荧光经过收集后作为种子光聚焦在BBO晶体上，并与泵浦光以一定的夹角重合（对可见区内的荧光信号来说，两者大约呈6.3°的夹角）。经过在晶体中的非线性耦合，作为种子光的荧光信号被放大，同时在另外一个方向上产生闲频光信号，如图1所示。放大后的荧光信号再经过采集系统进行测量。泵浦光的脉宽约为150fs，因此在晶体中，只有在时间上与其重合的那部分荧光才被放大。这样，通过改变两路激光间的相对延迟，便可以观测到样品在激发后不同时刻下的荧光光谱，即可同时得到整个荧光光谱的动力学变化，而系统的时间分辨率几乎仅受泵浦光脉宽的限制。
如何选择合适的数据采集系统？
〖 ? 全光谱测量 〗
〖 ? 单波长测量 〗
〖 ? 双通路测量 〗
不同荧光收集系统的对比
激发光聚集在样品上产生荧光，通常强度非常微弱。若想得到尽可能明显的放大信号，首先需要收集尽可能多的荧光作为种子光。另外，当激发光较强时，在样品或样品池壁上经常会产生超连续白光，这也会对测量结果带来很严重的影响。因此，选择适合具体实验条件的荧光收集光路至关重要！
荧光收集系统 | 优点 | 缺点 |
透镜正向收集 直接在样品后加入一个短焦透镜，将各向发散的荧光收集为平行光，如上图2。然后再用另一个长焦透镜将荧光会聚到BBO晶体内。 公式：
| 1、易于操作。 2、通过选用数值孔径比较大的透镜可收集到尽可能多的荧光。 | 1、透镜是色散介质，由于群速色散的存在，宽谱带的荧光通过时会引入较大啁啾。导致系统的时间分辨降低；测得的时间分辨荧光光谱在进行啁啾矫正前失真。 2、测得的荧光动力学零点位置附近会出现来自于白光或散射光的放大信号，影响结果分析。 |
透镜背向收集 由于白光的传播总是沿着激发光入射的方向，为避免白光对结果的影响，可采用背向收集的方式。 详见下图7：荧光背向收集装置示意图。 将激发光背向通过一个中心有孔的反射镜后再经由透镜聚焦在样品中，后向收集的荧光经带小孔的反射镜改变方向后被另一个透镜会聚进入BBO晶体内。 | 1、避免白光影响实验结果。 2、对于固体，尤其是薄膜样品，是不错的选择！ | 1、色散问题。 2、影响测量的时间分辨率（固体样品不会）。 |
微透镜阵列收集 是由通光孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成的列阵。 如下图8：几种不同形状的微透镜阵列以及用荧光收集装置的示意图 将一片微透镜阵列置于样品前，由于有多组透镜的存在，激发光经过后会聚成多个焦点进入样品，之后再由另一片相同的阵列收集激发后的荧光。 两片阵列间要保持平行，且尽量保证每个透镜一一对应，即可得到平行的荧光光束，再经由普通透镜聚焦后进入到BBO晶体内。 | 1、具备传统透镜的聚集、成像基本功能。 2、可构成许多新型的光学系统。 3、激发光的能量分散到一千多个焦点处，大大减小对样品的破坏，并避免超连续白光的产生。 | 1、较难实现——保持两片阵列间相互平行以及透镜单元间一一对应。 2、采用短集距的透镜进行聚集易导致作为种子光的荧光在晶体内的发散角很大，不利于实现相位匹配，因而测量结果的信噪比不佳。 |
卡塞格林系统 利用一对特定参数的凹面镜M2和凸面镜M1以一定的几何结构组合起来，可对荧光光点实现比较完美的成像！
参考：图9 利用卡塞格林系统收集荧光的光路示意图 设计尺寸： 激发光焦点距M2约6mm，M1与M2距离为134mm，M1与晶体距离为302.1mm，M2直径30mm，中间孔直径3.61mm，曲率半径为-162.8mm，M1直径90mm，中间也直径22.3mm，曲率半径为-140.4mm | 1、采用较大凹面镜，荧光收集效率较高。 2、若荧光的激发光斑直径为0.05mm，当收集后聚集到晶体上时，可保证焦点直径在0.5mm以内。 3、入射在晶体内的荧光锥角大为减少。 4、较好地排除超连续白光和激发光的影响。 5、采用全反射式光学元件，并根据设计尽可能减小横向像差，使整个系统保持很高的时间分辨率。 | / |
附图参考：
非线性条纹相机 VS. 条纹相机
◎ 非线性条纹相机-中科院物理所
规格参数 | |
时间分辨率 | 约为泵浦激光脉冲宽度 可实现时间分辨率小于80 飞秒（选配） |
光谱测量范围 | 500-1000 nm |
光谱信号通道数 | 46 |
积分时间 | 0.1S-25s |
动态范围 | >80dB |
软件 | 基于LabView的控制软件，通过软件可进行全自动实验及数据处理 |
可处理液体和固体样品；可以测量荧光的偏振特性；利用多通道锁相放大器可实现瞬态荧光信号的直接光谱采集。 | |
◎ 同步扫描条纹相机2200-中科院西光所
规格参数 | ||
最大同步扫描频率 | 300MHz | |
时间分辨率 | < 5fs(同步扫描） | |
光阴极长度 | >10 mm | |
狭缝宽度 | 0-2 mm连续可调 | |
光阴极材料 | 多碱阴极(可根据客户需求定制） | |
光谱响应波段 | 200-800 nm | |
光阴极相应非均匀性 | < 15% | |
输出窗材料 | 光纤面板 | |
输出窗有效工作面积 | Φ40 mm | |
空间分辨率 | 静态 | ≥ 25 lp/mm@CTF=10% |
动态 | ≥ 10 lp/mm@CTF=10% | |
扫描速度（典型值） | 0.1 ns，0.12ns，0.13ns，0.4 ns， | |
扫描非线性 | < 5% | |
触发晃动 | < 4ps | |
最大固有延时 | < 20 ns | |
北京佳诺贝科技有限责任公司自成立伊始，秉承“实力创造价值，信赖共赢一生”的企业理念，立足国内仪器的生产与研发，与国内多所著名研究院校保持长期亲密合作，共同提高产品的核心竞争力，2019年公司推进高品质MIC飞秒激光生态链产品，并以专业、一流的售前、售后服务满足众大科研用户不断增长的需求，实现互惠互利！
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参考文献：《超快激光光谱原理与技术基础》/翁羽翔、陈海龙等编著，化学工业出版社，2013年2月出版发行。
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