一种用于测量液体样本多光子荧光光谱的光学系统技术领域
本发明属于非线性光学及光学工程领域，涉及了一种光学系统，用于测量液体样
本的多光子荧光光谱。
背景技术
非线性光学是现代光学的一个重要分支，多光子荧光是典型的非线性光学效应，
是介质在强相干光作用下产生的光学现象。多光子荧光过程是指，荧光分子同时吸收两个
或多个能量较低的光子，被激发到更高的能态，进而通过辐射跃迁发射一个能量较高的光
子。因此，n光子荧光（n为大于1的自然数）的波长比激发光的波长要短，按照一般经验，相当
于1/n激发波长单光子激发所产生的效果。
目前多光子荧光在生物显微成像领域当中拥有得天独厚的优势，一方面，长波长
的光比短波长的光受散射影响较小，容易穿透标本，从而获取更高的成像深度；另一方面，
由于多光子荧光效应对激发光的光子密度要求很高，理论上只有焦点处附近的荧光分子才
能被激发，因此多光子荧光显微镜具有很高的空间分辨率，并且非焦点处的荧光分子不容
易被漂白或产生光毒性。
随着多光子荧光的应用潜力被不断挖掘，对相关材料（样品）的多光子荧光光谱的
测量显得尤为重要。目前市场上已有用于测量液体样本单光子荧光光谱的商用仪器，但如
果要用相同的系统测试非线性光学信号，需要将高峰值功率的脉冲激光（如飞秒激光器）引
入其中，这对系统的精密度提出了很高的要求。此外，用于生物研究的发光分子，最终是被
用于生物样品中的液体环境，因此仅仅表征固态分子是不够的，需要对其溶液态或者液体
分散态的多光子荧光信号进行有效的测量。
发明内容
本发明针对已有发射光谱测量系统尺寸大、效率低、不适用于非线性发射光谱测
量等缺点，提出了一种适用于多光子荧光光谱测量的系统。这种系统专门用于测量液体样
品，测量效率高、结构简单、调节方便，同时也适用于液体样品单光子荧光的测量，具有很强
的实用性。
本发明采用的技术方案是：
本发明中的测量系统包括飞秒激光器、聚焦透镜、比色皿、显微物镜、滤光片、光纤准直
器和光纤光谱仪。盛有液体样本的比色皿放置在三维微位移平台上，飞秒激光通过放置在
比色皿前的透镜聚焦在样本上，比色皿侧面正对焦点处放置一个显微物镜（垂直于飞秒激
发光的入射方向），用于收集多光子荧光信号，物镜被固定在另一个三维微位移平台上，物
镜后放置一块滤光片，用于滤除激发光及杂散光，信号光通过滤光片后被光纤准直器耦合
到一根大数值孔径的多模光纤中，通过光纤将光信号传递给光谱仪。
本发明具有的效果是：一方面，透镜对峰值功率很高的飞秒激光进行聚焦，进一步
提高了飞秒激光的峰值光强（等于峰值功率除以光斑面积），从而提高了激发非线性光信号
的效率；另一方面，用较大数值孔径的显微物镜对信号光进行采集，提高了整个系统对多光
子荧光的收集效率。除此之外，本系统同样适用于单光子荧光光谱的测量，只需更改光源波
长及滤光片的通光波长即可。
附图说明
图1为液体样本多光子荧光及高次谐波发射光谱的侧向测量系统示意图；
图2为用本发明测量一种聚集诱导发光纳米颗粒的水中分散液的多光子荧光光谱图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种液体样本多光子荧光光谱的侧向测量系统包括飞秒激光器、聚焦
透镜、比色皿、显微物镜、滤光片、光纤准直器和光纤光谱仪。
将液体样本固定在一台三维微位移平台上，一台飞秒激光器提供激发光光源，由
激光器出射的激光经过一块透镜聚焦在液体样本上。样本液体在透镜的焦点附近被激发出
的信号光由比色皿侧面的一块显微物镜进行采集，信号光通过物镜后入射到一块滤光片
上，用于滤除激发光及其它杂散光，出射后由一块光纤准直器耦合到一根多模光纤中，最终
传递给光纤光谱仪，由计算机软件进行分析处理。系统中，显微物镜、滤光片和光纤准直器
相对位置固定，共同组成信号收集部分，并装载在一台三维微位移平台上，通过调节比色皿
和信号收集部分的相对位置来获取最高的信号采集效率。如图2所示，样本液体在1550nm飞
秒激光激发下存在两个发光峰。其中一个发光峰比较缓和，中心位置在670nm附近，是样本
产生的三光子荧光信号；另一个发光峰非常陡峭，中心位置在516nm，与激发光波长的三分
之一对应得非常好，可以判断是样本在1560nm飞秒激光的激发下产生的三次谐波生成信号
（由于在分散液中存在散射，因此可以从侧面收集到前向性非常好的三次谐波生成信号）。
本实施例中飞秒激光器的出射波长是1550nm，脉宽400fs，重复频率1 MHz；聚焦透
镜的焦距是10cm；比色皿的材质为石英，四面对激发光和信号光的透过率都非常高，尺寸是
1cm×1cm；显微物镜的放大倍数是20倍，数值孔径是1.00；滤光片选用的是940nm短通滤光
片；光谱仪是复享公司生产的PG2000型光谱仪，测量范围是360nm – 1100nm。
本发明陈述了液体样本多光子荧光光谱的侧向测量系统，通过聚焦飞秒激光激发
液体样本的非线性发光，用一块显微物镜收集信号光，经过滤光片滤除激发光后耦合到一
台商用光纤光谱仪中，由光谱仪对信号光的光谱信息进行分析。该系统具有尺寸小、效率
高、调节方便、操作简单等优点，并且适用于单光子荧光光谱的测量。