[发明专利]一种基于FP干涉仪的LIF测量荧光信号窄带滤光系统及方法

说明书

本发明公开了一种基于FP干涉仪的LIF测量荧光信号窄带滤光系统及方法，包括激光源，发射的激光信号入射到激光调制器，经过激光调制器调制后，发射到目标粒子，通过光学透镜组收集荧光信号，所述光学透镜组连接到FP干涉仪，FP干涉仪连接有传感器，然后将传感器信号输出到第一锁相放大器，所述第一锁相放大器的参考信号来自激光调制器输出的调制参考信号；利用第二相放大器进行信号采集，对FP干涉仪进行共振频率的扫描调制，以FP干涉仪的调制信号作为参考信号，对由第一锁相放大器输出的经锁相放大后的LIF荧光信号进行二次锁相放大，利用FP干涉仪本身的精细度实现0.1‑0.5nm频宽的窄带滤光。

技术领域

本发明涉及主动光谱测量领域，具体是一种适用于LIF荧光信号测量的基于FP干涉仪的窄带滤光系统。

背景技术

LIF(激光诱导荧光诊断)是一种灵敏度极高，发展非常成熟的主动光学诊断方法，具有激发截面大、时空分辨率高等特点。LIF、TALIF、LCIF、LIQ及其他利用激光诱导荧光为基本原理的测量方法广泛应用在流体力学、等离子体物理、分子动力学、量子力学，燃烧等实验物理研究中。LIF、TALIF、LCIF、LIQ及其他利用激光诱导荧光为基本原理的测量主要应用于在等离子体诊断中离子速度分布函数等动力学参数的诊断；在分子动力学、流体力学中利用可以受激发产生荧光的物质对其运动和分布进行测量；在量子力学中可以进行原子分子光谱的超精细结构的测量；在燃烧研究中可以进行相关粒子的浓密度、分布等测量。

LIF、TALIF、LCIF、LIQ及其他利用激光诱导荧光为原理的测量方法的最基本原理是利用一个三能级系统，利用入射的窄带单频激光将处于基态或亚稳态的粒子泵浦到激发态，激发态的寿命一般很短(几纳秒左右)，激发能级上的电子迅速自发跃迁到基态或其他能级，释放出荧光光子。根据三能级间的不同关系以及激发的机制，激光诱导荧光类型可以分为五种：共振荧光、非共振Stokes荧光、非共振反Stokes荧光、碰撞辅助非共振Stokes荧光和碰撞辅助双共振荧光。在流体力学、等离子体物理、分子动力学等注重粒子速度测量的物理实验中，可以利用多普勒效应，使用波长可扫描的可调谐激光器，通过激光器的波长扫描，测量不同波长下相应的荧光强度变化，通过带入多普勒效应计算，可以获得基态或亚稳态粒子投影在入射激光方向上的速度分布。LIF、TALIF、LCIF、LIQ及其他利用激光诱导荧光为原理的测量方法的基本假设是基态或者亚稳态粒子温度与主体粒子基态温度一致，因此通过相关测量可以获得粒子的速度分布函数等参数。在流体力学、燃烧、分子动力学研究中，还可以应用于目标粒子的密度、空间分布等的测量，此时可采用固定波长激光器，对目标粒子进行泵浦，收集空间上的荧光信号的强弱和分布，即可获得目标粒子的密度、空间分布等。在量子力学中激光诱导荧光可以应用于原子超精细结构的测量。

LIF、TALIF、LCIF、LIQ及其他利用激光诱导荧光为原理的测量方法的荧光信号具有各向同性的特征，在收集光路中通过一定的透镜组合将观察区域的荧光信号成像在传感器以接收荧光信号。等离子体中的其他波长的背景光对荧光信号的信噪比有很大影响，可以通过增大荧光信号接收角、背景光信号差分、激光调制锁相放大、平均采集等方式提高信噪比。在传感器前加入荧光信号对应波长的窄带滤光片可以很好的提高信噪比。理想的荧光收集需要至少3-5nm频宽，至多0.1-0.5nm频宽的窄带滤光片，这对相关光学产业的生产和研发能力提出很高的要求，目前国内仍不具备相关高性能产品的生产研发能力。

发明内容