纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源
专利汇可以提供纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种能应用于纳秒量级 荧光 寿命测量的纳秒量级 荧光寿命 测量用高频调制 光源 ，光源 波长 可以从940nm改变到380nm，可以被10MHz到50MHz的高频周期 信号 调制，并且能监测光源的驱动信号。本 发明 结构简单，易于制作，体积小，可以把光源放入荧光 光谱 仪的样品室工作。采用通用简式 晶体 振荡器 提供 温度 稳定度量级为±10ppm/0～±50℃的高频方波 电压 作高频调制信号，加至 三极管 基极控制其集 电极 电流 ，驱动发光 二极管 发光。输出光强起伏 对比度 优于0.5，并有缓冲 放大器 监测 发光二极管 的驱动电压，从而为改进的相调制法荧光寿命的测量提供一个稳定的参考信号。，下面是纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源专利的具体信息内容。
1.一种纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源，其特征在于：所述纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源包括发光二极管(2)、三极管(3)、晶体振荡器(1)和缓冲放大器(5)，晶体振荡器(1)的输出端(1-2)和三极管(2)的基极(2-1)连接，电源端(1-1)与电源Vcc连接，三极管(2)的集电极(2-2)与发光二极管(3)的负引脚(3-2)连接，三极管(2)的发射极(2-3)串接一限流电阻(4)后接地，发光二极管(3)的正引脚(3-1)与电源Vcc连接，晶体振荡器(1)和三极管(2)构成发光二极管(3)的光强调制电路。
2. 根据权利要求l所述的纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光 源，其特征在于：所述缓冲放大器（5)的输入端（5-1)与三极管（2) 的发射极（2-3)连接，缓冲放大器（5)的正电源端（5-2)与电源 Vcc连接，负电源端（5-3)与另一电源Vee连接，缓冲放大器（5) 的输出端（5-4)连接到参考信号输出端（6)。
3. 根据权利要求l所述的纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光 源，其特征在于：所述晶体振荡器（1)是通用简式晶体振荡器。
4. 根据权利要求l所述的纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光 源，其特征在于：所述三极管（2)是NPN双极晶体管或PNP双极晶 体管，其带宽至少为300MHz。
5.根据权利要求l所述的纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光 源，其特征在于：所述的发光二极管（3)为纳秒量级响应速度的窄光谱发光二极管。
6.根据权利要求1或5所述的纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源，其特征在于：所述的发光二极管（3)的特征波长范围从940nm 到380nm。
7.根据权利要求l所述的纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源，其特征在于：所述缓冲放大器（5)的带宽至少应为驱动电压重复频率10倍以上。
纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源
技术领域
荧光寿命是指电子在激发态的统计平均停留时间，是发光材料研 究的重要参数，也是化学、生物等领域研究的重要参数。根据材料的
不同，以及跃迁过程的不同，荧光寿命值覆盖从飞秒（fs， 10—15s)到 毫秒（ms， 10'3s)甚至更长的范围。微秒、毫秒级的寿命测量，技术 上已经十分成熟。较为困难的是纳秒（ns， l(T9s)、皮秒（ps， 10"2s)、 飞秒量级的寿命测量。针对纳秒到皮秒量级荧光寿命的测量手段主要 有①时间相关单光子计数法，可以测到数十皮秒；②频闪技术，即取 样法；③相调制法。
其中相调制法，有原理、设备简单易行的优点。其原理为：用角 频率为o;的正弦调制激发光五W，激发被测样品。设样品的荧光寿命
为t，稳态下激发光五(f)和样品的发射光/(0可分别表示为：
与E(t)相比，I(t)有相同的频率co，但相位滞后了cp。根据相调制法 原理，测得两波形的相位角或调制度之比，就能得到荧光寿命t值。 但对纳秒量级测量，相调制法要求激发光源的调制频率范围为数十到数百兆赫兹，并且要严格正弦。普通的光源难以满足这样的要求，
需要进行特殊的调制手段。以Jobin Yvon Inc.公司的Fluorolog⑧Tau-3 Lifetime System为例，采用的是调制氙灯出射光的办法。利用的是晶 体在电场下的泡克耳斯效应调制光强大小。这样的设备可以保证激发 光被100kHz-310MHz频率调制，并且严格正弦。但电光效应通常需 要千伏左右的高压，以及晶体、电场、光路之间的良好配置，技术难 度较大。
用改进的相调制法测量荧光寿命，只需要采用周期性的激发光 (不要求正弦，是周期信号即可)，从而样品发光也是周期性的。由于 周期信号可以展开为多级傅立叶级数，则可以提取激发光和样品发光 信号的一级傅立叶级数，从而可由相调制法原理求得荧光寿命值。这 样，对激发光的要求就降低了，不需要严格正弦，是周期信号即可。 对于纳秒量级荧光寿命测量，该方法就需要一种受高频周期信号调制 的光源。目前，超短脉冲激光器、纳秒量级脉冲信号调制的发光二极 管等脉冲宽度处于或优于纳秒量级的光源，由于重复频率低、体积大 等原因不能满足要求。因此用改进的相调法测量纳秒量级荧光寿命， 需要一种结构简单、体积小的高频调制激发光源。
发明内容
本发明的有益效果是l.由于采用发光二极管作调制光源的发光 器件，晶体振荡器和三极管调制发光二极管的输出光强，使整个调制 光源结构简单、体积縮小、易于制作，可以把光源放入荧光光谱仪的 样品室工作；2.发光二极管是近年蓬勃发展的新型电致发光器件，由 于其具有响应速度在纳秒量级，可选波长范围可从红外到深紫外，单
色性好，光通量较高，调制手段简单等优点，用作纳秒量级荧光寿命
测量的激发光源的发光器件，输出光强起伏对比度优于0.5，满足了 背景技术中用改进的相调制法测量纳秒量级荧光寿命所需的高频调 制激发光光源的要求。 附图说明
图l为纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源的电路原理图。
图2为纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光源的实测驱动电压波 形和输出光波形图。201是实测驱动电压波形图，202是输出光波形图 具体实施方式
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：图1示出了本发明 的实施方式电路原理图，所述的纳秒量级荧光寿命测量用高频调制光 源中，三极管2的集电极2-2与发光二极管3的负引脚3-2连接，发光二 极管3的正引脚3-l与电源Vcc连接，三极管2的发射极2-3串接一限流 电阻4后接地，晶体振荡器l输出端l-2和三极管2的基极2-l连接。缓 冲放大器5的输入端5-l与三极管2的发射极2-3连接。当三极管2的基 极2-l电压较高时，三极管2工作在放大或饱和区，集电极2-2流过较 大电流，发光二极管3被点亮或者光强变强；当三极管2的基极2-l电 压较小时，三极管2工作在截止区，集电极2-2几乎没有电流流过，发 光二极管3不发光或者光强变弱。三极管2基极2-l的电压控制流过发 光二极管3的电流。晶体振荡器1输出端1-2输出为0到5V之间的占空比 50%高频方波电压信号控制三极管2的导通和截止，调制发光二极管3 的输出光强，产生测量荧光寿命所需的高频调制激发光。缓冲放大器 5监测与发光二极管3两端之间的电压等价的限流电阻4两端之间的电
压的变化，其输出为荧光寿命的测量提供一个稳定的参考信号。晶体
振荡器l是通用简式晶体振荡器。三极管2是NPN双极晶体管或PNP双 极晶体管，其带宽至少为300MHz。发光二极管3为纳秒量级响应速度 的窄光谱发光二极管。根据被测样品对激发光波长的要求，在特征波 长从940nm到380nm范围内选择发光二极管。缓冲放大器5的带宽至少 应为驱动电压重复频率10倍以上。
图2示出本实施例的实测驱动电压波形图201和输出光波形图 202。输出光202作改进的相调制法测量荧光寿命用的激发光，驱动电 压201是缓冲放大器5在限流电阻4两端监测电压的输出信号，可用于 改进的相调制法测量荧光寿命用的参考信号。
本发明的工作原理是：通用简式晶体振荡器作为高频信号源，和三 极管构成高频调制电路控制发光二极管强度的变化。由于发光二极管 的光强与工作电流的大小几乎成正比，从而实现了高频信号对光源发 光强度的调制。由于晶体振荡器输出信号的温度稳定度很高，典型值 ±10ppm/0450°C，输出频率范围从数千kHz到160MHz，所以光源的 光强能达到相应的稳定度，而频率范围则由于受发光二极管的响应速 度的限制，最高仅到60MHz。 缓冲放大器5具有很高的输入电 阻（MQ量级），对原电路影响小，因此可以在不影响发光二极管3工 作的同时监测其两端电压的变化。同时缓冲放大器5的输出电阻为 50Q，与同轴电缆的特性阻抗相匹配，能不失真地将输出端的电压信 号传输至荧光寿命的测量装置，从而为改进的相调制法荧光寿命的测 量提供一个稳定的参考信号。由于方波的频率成分丰富，缓冲放大器
5的带宽应为驱动电压重复频率的10倍以上，并且其电源电压、输入
输出电压范围要合适（0〜5V)。本实施例采用MAX4201 (-3dB带宽： 780MHz，电源电压：士5V，可单电源工作；输入电阻：500kQ;输入 电压范围：2.75V〜-4.8V;输出电压范围：士2.1V)。发光二极管3 的负引脚3-2处电压值的峰值略高于2.1V，超出了MAX4201的输出电 压范围，因此将缓冲放大器5输入端连接于三极管3的发射极与限流电 阻4之间，监测与发光二极管3两端之间的电压等价的限流电阻4两端 之间的电压。三极管2采用带宽200MHz的BC337。由于发光二极管光 谱窄（典型值10nm)，更换不同特征波长的发光二极管，就可以实现 高频调制光源输出激发光波长从940nm到380nm的改变。更换不同本 征频率的晶体振荡器，就可以实现调制频率从10MHz到50MHz的改 变。
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