專利名稱：納秒量級(jí)熒光壽命測(cè)量用高頻調(diào)制光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電結(jié)合技術(shù)的調(diào)制光源范圍，涉及一種納秒量級(jí)熒 光壽命測(cè)量用高頻調(diào)制光源。
背景技術(shù)：
熒光壽命是指電子在激發(fā)態(tài)的統(tǒng)計(jì)平均停留時(shí)間，是發(fā)光材料研 究的重要參數(shù)，也是化學(xué)、生物等領(lǐng)域研究的重要參數(shù)。根據(jù)材料的
不同，以及躍遷過(guò)程的不同，熒光壽命值覆蓋從飛秒(fs， 10—15s)到 毫秒(ms， 10'3s)甚至更長(zhǎng)的范圍。微秒、毫秒級(jí)的壽命測(cè)量，技術(shù) 上已經(jīng)十分成熟。較為困難的是納秒(ns， l(T9s)、皮秒(ps， 10"2s)、 飛秒量級(jí)的壽命測(cè)量。針對(duì)納秒到皮秒量級(jí)熒光壽命的測(cè)量手段主要 有①時(shí)間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)法，可以測(cè)到數(shù)十皮秒；②頻閃技術(shù)，即取 樣法；③相調(diào)制法。
其中相調(diào)制法，有原理、設(shè)備簡(jiǎn)單易行的優(yōu)點(diǎn)。其原理為用角 頻率為o;的正弦調(diào)制激發(fā)光五W，激發(fā)被測(cè)樣品。設(shè)樣品的熒光壽命
為t，穩(wěn)態(tài)下激發(fā)光五(f)和樣品的發(fā)射光/(0可分別表示為
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與E(t)相比，I(t)有相同的頻率co，但相位滯后了cp。根據(jù)相調(diào)制法 原理，測(cè)得兩波形的相位角或調(diào)制度之比，就能得到熒光壽命t值。 但對(duì)納秒量級(jí)測(cè)量，相調(diào)制法要求激發(fā)光源的調(diào)制頻率范圍為數(shù)十到數(shù)百兆赫茲，并且要嚴(yán)格正弦。普通的光源難以滿足這樣的要求，
需要進(jìn)行特殊的調(diào)制手段。以Jobin Yvon Inc.公司的Fluorolog⑧Tau-3 Lifetime System為例，采用的是調(diào)制氙燈出射光的辦法。利用的是晶 體在電場(chǎng)下的泡克耳斯效應(yīng)調(diào)制光強(qiáng)大小。這樣的設(shè)備可以保證激發(fā) 光被100kHz-310MHz頻率調(diào)制，并且嚴(yán)格正弦。但電光效應(yīng)通常需 要千伏左右的高壓，以及晶體、電場(chǎng)、光路之間的良好配置，技術(shù)難 度較大。
用改進(jìn)的相調(diào)制法測(cè)量熒光壽命，只需要采用周期性的激發(fā)光 (不要求正弦，是周期信號(hào)即可)，從而樣品發(fā)光也是周期性的。由于 周期信號(hào)可以展開(kāi)為多級(jí)傅立葉級(jí)數(shù)，則可以提取激發(fā)光和樣品發(fā)光 信號(hào)的一級(jí)傅立葉級(jí)數(shù)，從而可由相調(diào)制法原理求得熒光壽命值。這 樣，對(duì)激發(fā)光的要求就降低了，不需要嚴(yán)格正弦，是周期信號(hào)即可。 對(duì)于納秒量級(jí)熒光壽命測(cè)量，該方法就需要一種受高頻周期信號(hào)調(diào)制 的光源。目前，超短脈沖激光器、納秒量級(jí)脈沖信號(hào)調(diào)制的發(fā)光二極 管等脈沖寬度處于或優(yōu)于納秒量級(jí)的光源，由于重復(fù)頻率低、體積大 等原因不能滿足要求。因此用改進(jìn)的相調(diào)法測(cè)量納秒量級(jí)熒光壽命， 需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小的高頻調(diào)制激發(fā)光源。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了滿足改進(jìn)的相調(diào)制法測(cè)量納秒量級(jí)熒光壽命的 激發(fā)光源的要求，提供一種納秒級(jí)熒光壽命測(cè)量用高頻調(diào)制光源。其 特征在于所述納秒量級(jí)熒光壽命測(cè)量用高頻調(diào)制光源包括發(fā)光二極 管2、三極管3、晶體振蕩器1和緩沖放大器5。三極管2的集電極2-2與發(fā)光二極管3的負(fù)引腳3-2連接，三極管2的發(fā)射極2-3串接一限流電阻 4后接地，發(fā)光二極管3的正引腳3-l與電源Vcc連接，晶體振蕩器l輸 出端l-2和三極管2的基極2-l連接，電源端l-l與電源Vcc連接。緩沖放 大器5的輸入端5-l與三極管2的發(fā)射極2-3連接，緩沖放大器5的正電 源端5-2與電源Vcc連接，負(fù)電源端5-3與另一電源Vee連接，輸出端5-4 連接到參考信號(hào)輸出端6。當(dāng)三極管2的基極2-l電壓較高時(shí)，三極管2 工作在放大或飽和區(qū)，集電極2-2流過(guò)較大電流，發(fā)光二極管3被點(diǎn)亮 或者光強(qiáng)變強(qiáng)；當(dāng)三極管2的基極2-l電壓較小時(shí)，三極管2工作在截 止區(qū)，集電極2-2幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，發(fā)光二極管3不發(fā)光或者光強(qiáng)變 弱。三極管2基極2-l的電壓控制流過(guò)發(fā)光二極管3的電流。晶體振蕩 器1和三極管2構(gòu)成發(fā)光二極管3的光強(qiáng)調(diào)制電路，晶體振蕩器l輸出端 l-2輸出為0到5V之間的占空比50。/。高頻方波電壓信號(hào)，控制三極管2 的導(dǎo)通和截止，調(diào)制發(fā)光二極管3的輸出光強(qiáng)。緩沖放大器5監(jiān)測(cè)與發(fā) 光二極管3兩端之間的電壓等價(jià)的限流電阻4兩端之間的電壓的變化， 其輸出端5-4連接到參考信號(hào)輸出端6，輸出電壓用于改進(jìn)的相調(diào)制法 測(cè)量熒光壽命的參考信號(hào)。
本發(fā)明的有益效果是l.由于采用發(fā)光二極管作調(diào)制光源的發(fā)光 器件，晶體振蕩器和三極管調(diào)制發(fā)光二極管的輸出光強(qiáng)，使整個(gè)調(diào)制 光源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積縮小、易于制作，可以把光源放入熒光光譜儀的 樣品室工作；2.發(fā)光二極管是近年蓬勃發(fā)展的新型電致發(fā)光器件，由 于其具有響應(yīng)速度在納秒量級(jí)，可選波長(zhǎng)范圍可從紅外到深紫外，單
色性好，光通量較高，調(diào)制手段簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，用作納秒量級(jí)熒光壽命
測(cè)量的激發(fā)光源的發(fā)光器件，輸出光強(qiáng)起伏對(duì)比度優(yōu)于0.5，滿足了 背景技術(shù)中用改進(jìn)的相調(diào)制法測(cè)量納秒量級(jí)熒光壽命所需的高頻調(diào) 制激發(fā)光光源的要求。


圖l為納秒量級(jí)熒光壽命測(cè)量用高頻調(diào)制光源的電路原理圖。
圖2為納秒量級(jí)熒光壽命測(cè)量用高頻調(diào)制光源的實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)電壓波 形和輸出光波形圖。201是實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)電壓波形圖，202是輸出光波形圖
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是圖1示出了本發(fā)明 的實(shí)施方式電路原理圖，所述的納秒量級(jí)熒光壽命測(cè)量用高頻調(diào)制光 源中，三極管2的集電極2-2與發(fā)光二極管3的負(fù)引腳3-2連接，發(fā)光二 極管3的正引腳3-l與電源Vcc連接，三極管2的發(fā)射極2-3串接一限流 電阻4后接地，晶體振蕩器l輸出端l-2和三極管2的基極2-l連接。緩 沖放大器5的輸入端5-l與三極管2的發(fā)射極2-3連接。當(dāng)三極管2的基 極2-l電壓較高時(shí)，三極管2工作在放大或飽和區(qū)，集電極2-2流過(guò)較 大電流，發(fā)光二極管3被點(diǎn)亮或者光強(qiáng)變強(qiáng)；當(dāng)三極管2的基極2-l電 壓較小時(shí)，三極管2工作在截止區(qū)，集電極2-2幾乎沒(méi)有電流流過(guò)，發(fā) 光二極管3不發(fā)光或者光強(qiáng)變?nèi)?。三極管2基極2-l的電壓控制流過(guò)發(fā) 光二極管3的電流。晶體振蕩器1輸出端1-2輸出為0到5V之間的占空比 50%高頻方波電壓信號(hào)控制三極管2的導(dǎo)通和截止，調(diào)制發(fā)光二極管3 的輸出光強(qiáng)，產(chǎn)生測(cè)量熒光壽命所需的高頻調(diào)制激發(fā)光。緩沖放大器 5監(jiān)測(cè)與發(fā)光二極管3兩端之間的電壓等價(jià)的限流電阻4兩端之間的電
壓的變化，其輸出為熒光壽命的測(cè)量提供一個(gè)穩(wěn)定的參考信號(hào)。晶體
振蕩器l是通用簡(jiǎn)式晶體振蕩器。三極管2是NPN雙極晶體管或PNP雙 極晶體管，其帶寬至少為300MHz。發(fā)光二極管3為納秒量級(jí)響應(yīng)速度 的窄光譜發(fā)光二極管。根據(jù)被測(cè)樣品對(duì)激發(fā)光波長(zhǎng)的要求，在特征波 長(zhǎng)從940nm到380nm范圍內(nèi)選擇發(fā)光二極管。緩沖放大器5的帶寬至少 應(yīng)為驅(qū)動(dòng)電壓重復(fù)頻率10倍以上。
圖2示出本實(shí)施例的實(shí)測(cè)驅(qū)動(dòng)電壓波形圖201和輸出光波形圖 202。輸出光202作改進(jìn)的相調(diào)制法測(cè)量熒光壽命用的激發(fā)光，驅(qū)動(dòng)電 壓201是緩沖放大器5在限流電阻4兩端監(jiān)測(cè)電壓的輸出信號(hào)，可用于 改進(jìn)的相調(diào)制法測(cè)量熒光壽命用的參考信號(hào)。
本發(fā)明的工作原理是通用簡(jiǎn)式晶體振蕩器作為高頻信號(hào)源，和三 極管構(gòu)成高頻調(diào)制電路控制發(fā)光二極管強(qiáng)度的變化。由于發(fā)光二極管 的光強(qiáng)與工作電流的大小幾乎成正比，從而實(shí)現(xiàn)了高頻信號(hào)對(duì)光源發(fā) 光強(qiáng)度的調(diào)制。由于晶體振蕩器輸出信號(hào)的溫度穩(wěn)定度很高，典型值 ±10ppm/0450°C，輸出頻率范圍從數(shù)千kHz到160MHz，所以光源的 光強(qiáng)能達(dá)到相應(yīng)的穩(wěn)定度，而頻率范圍則由于受發(fā)光二極管的響應(yīng)速 度的限制，最高僅到60MHz。 緩沖放大器5具有很高的輸入電 阻(MQ量級(jí))，對(duì)原電路影響小，因此可以在不影響發(fā)光二極管3工 作的同時(shí)監(jiān)測(cè)其兩端電壓的變化。同時(shí)緩沖放大器5的輸出電阻為 50Q，與同軸電纜的特性阻抗相匹配，能不失真地將輸出端的電壓信 號(hào)傳輸至熒光壽命的測(cè)量裝置，從而為改進(jìn)的相調(diào)制法熒光壽命的測(cè) 量提供一個(gè)穩(wěn)定的參考信號(hào)。由于方波的頻率成分豐富，緩沖放大器
5的帶寬應(yīng)為驅(qū)動(dòng)電壓重復(fù)頻率的10倍以上，并且其電源電壓、輸入
輸出電壓范圍要合適(0 5V)。本實(shí)施例采用MAX4201 (-3dB帶寬 780MHz，電源電壓士5V，可單電源工作；輸入電阻500kQ;輸入 電壓范圍2.75V -4.8V;輸出電壓范圍士2.1V)。發(fā)光二極管3 的負(fù)引腳3-2處電壓值的峰值略高于2.1V，超出了MAX4201的輸出電 壓范圍，因此將緩沖放大器5輸入端連接于三極管3的發(fā)射極與限流電 阻4之間，監(jiān)測(cè)與發(fā)光二極管3兩端之間的電壓等價(jià)的限流電阻4兩端 之間的電壓。三極管2采用帶寬200MHz的BC337。由于發(fā)光二極管光 譜窄(典型值10nm)，更換不同特征波長(zhǎng)的發(fā)光二極管，就可以實(shí)現(xiàn) 高頻調(diào)制光源輸出激發(fā)光波長(zhǎng)從940nm到380nm的改變。更換不同本 征頻率的晶體振蕩器，就可以實(shí)現(xiàn)調(diào)制頻率從10MHz到50MHz的改 變。
權(quán)利要求
1.一種納秒量級(jí)熒光壽命測(cè)量用高頻調(diào)制光源，其特征在于所述納秒量級(jí)熒光壽命測(cè)量用高頻調(diào)制光源包括發(fā)光二極管(2)、三極管(3)、晶體振蕩器(1)和緩沖放大器(5)，晶體振蕩器(1)的輸出端(1-2)和三極管(2)的基極(2-1)連接，電源端(1-1)與電源Vcc連接，三極管(2)的集電極(2-2)與發(fā)光二極管(3)的負(fù)引腳(3-2)連接，三極管(2)的發(fā)射極(2-3)串接一限流電阻(4)后接地，發(fā)光二極管(3)的正引腳(3-1)與電源Vcc連接，晶體振蕩器(1)和三極管(2)構(gòu)成發(fā)光二極管(3)的光強(qiáng)調(diào)制電路。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的納秒量級(jí)熒光壽命測(cè)量用高頻調(diào)制光 源，其特征在于所述緩沖放大器(5)的輸入端(5-1)與三極管(2) 的發(fā)射極(2-3)連接，緩沖放大器(5)的正電源端(5-2)與電源 Vcc連接，負(fù)電源端(5-3)與另一電源Vee連接，緩沖放大器(5) 的輸出端(5-4)連接到參考信號(hào)輸出端(6)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的納秒量級(jí)熒光壽命測(cè)量用高頻調(diào)制光 源，其特征在于所述晶體振蕩器(1)是通用簡(jiǎn)式晶體振蕩器。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的納秒量級(jí)熒光壽命測(cè)量用高頻調(diào)制光 源，其特征在于所述三極管(2)是NPN雙極晶體管或PNP雙極晶 體管，其帶寬至少為300MHz。
5.根據(jù)權(quán)利要求l所述的納秒量級(jí)熒光壽命測(cè)量用高頻調(diào)制光 源，其特征在于所述的發(fā)光二極管(3)為納秒量級(jí)響應(yīng)速度的窄光譜發(fā)光二極管。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的納秒量級(jí)熒光壽命測(cè)量用高頻調(diào)制光源，其特征在于所述的發(fā)光二極管(3)的特征波長(zhǎng)范圍從940nm 到380nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求l所述的納秒量級(jí)熒光壽命測(cè)量用高頻調(diào)制光源，其特征在于所述緩沖放大器(5)的帶寬至少應(yīng)為驅(qū)動(dòng)電壓重復(fù)頻率10倍以上。
全文摘要
一種能應(yīng)用于納秒量級(jí)熒光壽命測(cè)量的納秒量級(jí)熒光壽命測(cè)量用高頻調(diào)制光源，光源波長(zhǎng)可以從940nm改變到380nm，可以被10MHz到50MHz的高頻周期信號(hào)調(diào)制，并且能監(jiān)測(cè)光源的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于制作，體積小，可以把光源放入熒光光譜儀的樣品室工作。采用通用簡(jiǎn)式晶體振蕩器提供溫度穩(wěn)定度量級(jí)為±10ppm/0～±50℃的高頻方波電壓作高頻調(diào)制信號(hào)，加至三極管基極控制其集電極電流，驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管發(fā)光。輸出光強(qiáng)起伏對(duì)比度優(yōu)于0.5，并有緩沖放大器監(jiān)測(cè)發(fā)光二極管的驅(qū)動(dòng)電壓，從而為改進(jìn)的相調(diào)制法熒光壽命的測(cè)量提供一個(gè)穩(wěn)定的參考信號(hào)。
文檔編號(hào)H05B37/02GK101207957SQ20071017987
公開(kāi)日2008年6月25日 申請(qǐng)日期2007年12月19日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月19日
發(fā)明者超 尚, 祝詩(shī)揚(yáng), 鄧召儒, 黃世華 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)