【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及非線性光學(xué)和納米光子學(xué)領(lǐng)域，具體是涉及一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試方法及裝置。
技術(shù)介紹
1、非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試是研究非線性光學(xué)效應(yīng)、納米光子學(xué)及其在生物成像、光學(xué)傳感等領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)鍵手段。傳統(tǒng)非線性熒光納樣品測試方法通常依賴于手動(dòng)操作，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還極易受到人為誤差的干擾，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)不精確。此外，由于手動(dòng)測試的復(fù)雜性，尤其是對一些具有超高非線性響應(yīng)特性的探針而言，在激光功率接近特定閾值時(shí)，其熒光強(qiáng)度呈現(xiàn)出顯著的非線性變化，這種超高階的非線性依賴關(guān)系在常規(guī)手動(dòng)測量中難以精準(zhǔn)捕獲，進(jìn)一步影響非線性光學(xué)現(xiàn)象的科學(xué)解釋和分析，阻礙非線性光學(xué)及納米光子學(xué)的深入發(fā)展。
2、目前，針對熒光納米顆粒的熒光響應(yīng)曲線、上升時(shí)間、衰減時(shí)間及成像等多種測試需求，通常需要更換不同的測試模塊或裝置，這不僅增加測試流程的復(fù)雜性和時(shí)間成本，還對實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性和一致性提出挑戰(zhàn)；尤其在高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)研究中，針對不同功率的精確控制和自動(dòng)調(diào)節(jié)尤為關(guān)鍵，然而現(xiàn)有系統(tǒng)難以實(shí)現(xiàn)多功能集成、全自動(dòng)化的智能測試，從而限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的廣泛性和普適性。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試方法及裝置。克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，實(shí)現(xiàn)熒光響應(yīng)曲線、熒光上升時(shí)間、熒光壽命和熒光成像的全自動(dòng)化、高精度測量，并消除人為干預(yù)帶來的誤差和虛假信息問題。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提供如下技術(shù)方
3、一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試裝置，包括：激發(fā)光生成模塊、自動(dòng)功率調(diào)節(jié)模塊、激發(fā)光調(diào)制模塊、樣品掃描模塊、數(shù)據(jù)采集分析模塊、智能控制模塊；在入射激光激發(fā)下，基于智能控制模塊的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，驅(qū)動(dòng)其余各個(gè)模塊完成非線性熒光納樣品的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)測試，實(shí)現(xiàn)熒光動(dòng)力學(xué)測試分析。
4、所述激發(fā)光生成模塊包括該激光器，以及沿該激光器所發(fā)射的激光束方向依次放置的濾光片組。激光器用于產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)激光束輸出，激光束的光子能量匹配熒光納米顆粒的激發(fā)態(tài)吸收，濾光片用于純化激光。
5、所述自動(dòng)功率調(diào)節(jié)模塊包括漸變衰減片及其連接的微型伺服電機(jī)。所述漸變衰減片在其徑向或角度上具有不同的透光率，與激光出射端對準(zhǔn)，旋轉(zhuǎn)不同角度即對應(yīng)不同的透射光功率；所述微型伺服電機(jī)用于驅(qū)動(dòng)漸變衰減片旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)衰減片角度的精準(zhǔn)控制，從而調(diào)節(jié)透過光的功率。
6、所述激發(fā)光調(diào)制模塊包括聚焦物鏡、保偏光纖、二分之一波片和四分之一波片。聚焦物鏡及保偏光纖用于光束整形提高激發(fā)光光束效率，二分之一波片和四分之一波片用于改變激發(fā)光偏振態(tài)以適應(yīng)不同激發(fā)模式。
7、所述樣品掃描模塊包括無限遠(yuǎn)校正管鏡系統(tǒng)、二向色鏡、成像物鏡及三維位移臺。所述無限遠(yuǎn)校正管鏡系統(tǒng)用于調(diào)節(jié)光束尺寸匹配成像物鏡的入瞳，提高光束利用率，并在高倍放大和高數(shù)值孔徑條件下校正光學(xué)像差，保證成像的清晰度；所述二向色鏡能反射激發(fā)光以及透射樣品熒光，用于分離激發(fā)光與熒光；所述成像物鏡用于光束聚焦及樣品成像；所述三維位移臺用于樣品的空間定位，依據(jù)設(shè)定的分辨率在xyz方向移動(dòng)，逐點(diǎn)掃描整個(gè)樣品區(qū)域。
8、所述數(shù)據(jù)采集分析模塊由依次同軸放置的濾光片組、聚焦透鏡和光電探測器構(gòu)成。數(shù)據(jù)采集分析模塊用于收集熒光信號，經(jīng)智能控制模塊輸入至計(jì)算機(jī)端進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；樣品在入射激光的激發(fā)下沿各個(gè)方向上發(fā)射熒光，成像物鏡收集一部分的熒光信號，信號經(jīng)過二向色鏡、濾光鏡組、聚焦透鏡，由光電探測器接收，經(jīng)由智能控制模塊，輸入計(jì)算機(jī)端。
9、所述智能控制模塊包括智能控制fpga芯片及計(jì)算機(jī)端。fpga芯片與計(jì)算機(jī)端連接，fpga芯片作為主控制單元，用于接收計(jì)算機(jī)端的控制信號，將其轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)的控制指令，并實(shí)時(shí)監(jiān)測伺服電機(jī)的反饋并記錄熒光信號；計(jì)算機(jī)端通過labview等軟件通過usb或ethernet接口與fpga通信，完成參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、可視化顯示及數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)籌控制系統(tǒng)各個(gè)模塊。
10、所述激發(fā)光生成模塊包括連續(xù)型紫外光/可見光/近紅外光或脈沖型紫外光/可見光/近紅外光，以及沿該激光器所發(fā)射的激光束方向依次放置的濾光組。激光器產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)激光束輸出，該光束的光子能量匹配了熒光樣品的激發(fā)態(tài)吸收，濾光片用于純化激光。
11、進(jìn)一步的，所述激發(fā)光生成模塊的濾光片組可由一個(gè)可旋轉(zhuǎn)支架裝配，用于調(diào)節(jié)匹配不同的激發(fā)光波長；所述數(shù)據(jù)采集分析模塊的濾光鏡組可由一個(gè)可旋轉(zhuǎn)支架裝配，用于調(diào)節(jié)匹配不同的采集熒光波長。
12、進(jìn)一步的，所述fpga芯片內(nèi)置脈沖寬度調(diào)制模塊，用于產(chǎn)生控制脈沖信號，調(diào)節(jié)脈沖頻率、寬度和占空比；fpga芯片內(nèi)置時(shí)間門控模塊，用于精準(zhǔn)控制激發(fā)和采集信號的時(shí)間窗，用于數(shù)據(jù)分析。
13、進(jìn)一步的，所述微型伺服電機(jī)可以通過脈沖控制旋轉(zhuǎn)角度，而且具有角度反饋系統(tǒng)，能保證高精度的定位。微型伺服電機(jī)通過智能控制模塊的fpga芯片控制，通過脈沖寬度調(diào)制信號來控制其旋轉(zhuǎn)角度，脈沖信號的頻率和占空比決定伺服電機(jī)的速度和方向。此外，fpga通過gate控制脈沖輸出時(shí)長和頻率，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)在特定角度的精準(zhǔn)停留。
14、進(jìn)一步的，所述fpga芯片與數(shù)據(jù)采集分析模塊的光電探測器連接，光電探測器在fpga的gate窗口內(nèi)采集光信號，將其轉(zhuǎn)化為計(jì)數(shù)脈沖，累積至計(jì)數(shù)器中。每完成一次獨(dú)立的計(jì)數(shù)后，計(jì)數(shù)器將累積結(jié)果傳送給fpga并實(shí)時(shí)反饋至labview，實(shí)現(xiàn)該次的熒光強(qiáng)度采集。
15、進(jìn)一步的，所述功率衰減片可由電動(dòng)可調(diào)光衰減器、電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器等其他功率調(diào)節(jié)裝置替換，主要功能是改變激光出射端的功率。
16、進(jìn)一步的，所述微型伺服電機(jī)可由步進(jìn)電機(jī)、壓電驅(qū)動(dòng)器等機(jī)械驅(qū)動(dòng)裝置替代，主要功能是精準(zhǔn)控制激光衰減裝置。
17、進(jìn)一步的，所述fpga芯片可由微控制器、單片機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器等替代，主要功能是實(shí)現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換與控制。
18、進(jìn)一步的，所述光電探測器可由單光子計(jì)數(shù)器、光電倍增管、光譜儀等代替，主要功能是記錄光子信息。
19、進(jìn)一步的，所述labview可以由python、matlab、labwindows/cvi等開發(fā)環(huán)境替代，主要作用是實(shí)現(xiàn)ui界面設(shè)計(jì)及統(tǒng)籌控制系統(tǒng)各個(gè)模塊。
20、進(jìn)一步的，熒光樣品包括量子點(diǎn)、有機(jī)染料、傳統(tǒng)上轉(zhuǎn)換熒光納米顆粒，以及光子雪崩效應(yīng)稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒等。
21、一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試方法，包括以下步驟：
22、s1：激光激發(fā)與功率調(diào)制：激光器輸出一束穩(wěn)定的激光，該激光經(jīng)過濾光片組濾去其它波長激光，純化后的激發(fā)光經(jīng)由自動(dòng)功率調(diào)節(jié)模塊進(jìn)行激發(fā)功率的定量調(diào)制，經(jīng)由聚焦物鏡、保偏光纖、偏振波片進(jìn)行調(diào)制后，通過管鏡組矯正像差并匹配成像物鏡的入瞳，獲得高斯型實(shí)心光斑；
23、需要說明的是，在步驟s1中，所述激光器根據(jù)熒光樣品的激發(fā)態(tài)吸收特性確定所需的激光波長，本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試裝置，其特征在于包括：激發(fā)光生成模塊、自動(dòng)功率調(diào)節(jié)模塊、激發(fā)光調(diào)制模塊、樣品掃描模塊、數(shù)據(jù)采集分析模塊、智能控制模塊；在入射激光激發(fā)下，基于智能控制模塊的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，驅(qū)動(dòng)其余各個(gè)模塊完成非線性熒光樣品的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)測試，實(shí)現(xiàn)熒光動(dòng)力學(xué)測試分析；
2.如權(quán)利要求1所述一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試裝置，其特征在于所述激發(fā)光生成模塊的濾光片組由一個(gè)可旋轉(zhuǎn)支架裝配，用于調(diào)節(jié)匹配不同的激發(fā)光波長；所述數(shù)據(jù)采集分析模塊的濾光片組可由一個(gè)可旋轉(zhuǎn)支架裝配，用于調(diào)節(jié)匹配不同的采集熒光波長；
3.如權(quán)利要求1所述一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試裝置，其特征在于所述微型伺服電機(jī)可以通過脈沖控制旋轉(zhuǎn)角度，而且具有角度反饋系統(tǒng)，能保證高精度的定位；微型伺服電機(jī)通過智能控制模塊的FPGA芯片控制，通過脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號來控制其旋轉(zhuǎn)角度，脈沖信號的頻率和占空比決定伺服電機(jī)的速度和方向；此外，F(xiàn)PGA通過Gate控制脈沖輸出時(shí)長和頻率，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)在特定角度的精準(zhǔn)停留；
4.如權(quán)
5.一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試方法，其特征在于包括以下步驟：
6.如權(quán)利要求5所述一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試方法，其特征在于在步驟S1中，所述激光器根據(jù)熒光探針的激發(fā)態(tài)吸收特性確定所需的激光波長，包括連續(xù)型紫外光/可見光/近紅外光或脈沖型紫外光/可見光/近紅外光；
7.如權(quán)利要求5所述一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試方法，其特征在于在步驟S2中，所述熒光樣品包括量子點(diǎn)、有機(jī)染料、傳統(tǒng)上轉(zhuǎn)換熒光納米顆粒，以及光子雪崩效應(yīng)稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒；量子點(diǎn)、有機(jī)染料的非線性一般低于3，傳統(tǒng)上轉(zhuǎn)換熒光納米顆粒的非線性一般低于6，光子雪崩效應(yīng)稀土摻雜上轉(zhuǎn)換納米顆粒的非線性一般大于10；
8.如權(quán)利要求5所述一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試方法，其特征在于在步驟S3中，所述智能控制模塊由智能控制FPGA芯片及計(jì)算機(jī)端構(gòu)成；FPGA內(nèi)置脈沖寬度調(diào)制模塊，用于產(chǎn)生控制其他模塊的脈沖信號，調(diào)節(jié)脈沖頻率、寬度和占空比；此外，時(shí)間門控模塊精準(zhǔn)控制激發(fā)和采集信號的時(shí)間窗，用于數(shù)據(jù)分析；計(jì)算機(jī)端通過LabVIEW軟件由USB或Ethernet接口與FPGA通信，完成參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、可視化顯示及數(shù)據(jù)分析，統(tǒng)籌控制系統(tǒng)各個(gè)模塊；
9.如權(quán)利要求5所述一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試方法，其特征在于在步驟S4中，所述智能控制模塊對通過向激光器模塊輸送脈沖發(fā)生實(shí)現(xiàn)連續(xù)-脈沖模式轉(zhuǎn)換；具體的，在脈沖模式下，智能控制模塊的FPGA芯片通過內(nèi)置的脈沖寬度調(diào)制模塊和時(shí)間門控模塊，精確控制激發(fā)光的功率、脈沖頻率、寬度和占空比，以及熒光信號的采集時(shí)間窗；
10.如權(quán)利要求5所述一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試方法，其特征在于在步驟S5中，所述三維位移臺用于樣品的空間定位，借助FPGA內(nèi)部生成的高精度脈沖，通過設(shè)定步進(jìn)間隔和頻率控制XYZ軸步進(jìn)，實(shí)現(xiàn)三維位移臺的步進(jìn)信號控制和熒光信號采集的時(shí)序管理，逐點(diǎn)掃描整個(gè)樣品區(qū)域；
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試裝置，其特征在于包括：激發(fā)光生成模塊、自動(dòng)功率調(diào)節(jié)模塊、激發(fā)光調(diào)制模塊、樣品掃描模塊、數(shù)據(jù)采集分析模塊、智能控制模塊；在入射激光激發(fā)下，基于智能控制模塊的統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，驅(qū)動(dòng)其余各個(gè)模塊完成非線性熒光樣品的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)測試，實(shí)現(xiàn)熒光動(dòng)力學(xué)測試分析；
2.如權(quán)利要求1所述一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試裝置，其特征在于所述激發(fā)光生成模塊的濾光片組由一個(gè)可旋轉(zhuǎn)支架裝配，用于調(diào)節(jié)匹配不同的激發(fā)光波長；所述數(shù)據(jù)采集分析模塊的濾光片組可由一個(gè)可旋轉(zhuǎn)支架裝配，用于調(diào)節(jié)匹配不同的采集熒光波長；
3.如權(quán)利要求1所述一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試裝置，其特征在于所述微型伺服電機(jī)可以通過脈沖控制旋轉(zhuǎn)角度，而且具有角度反饋系統(tǒng)，能保證高精度的定位；微型伺服電機(jī)通過智能控制模塊的fpga芯片控制，通過脈沖寬度調(diào)制（pwm）信號來控制其旋轉(zhuǎn)角度，脈沖信號的頻率和占空比決定伺服電機(jī)的速度和方向；此外，fpga通過gate控制脈沖輸出時(shí)長和頻率，實(shí)現(xiàn)伺服電機(jī)在特定角度的精準(zhǔn)停留；
4.如權(quán)利要求1所述一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試裝置，其特征在于所述漸變衰減片由電動(dòng)可調(diào)光衰減器、電光調(diào)制器、聲光調(diào)制器替換，用于改變激光出射端的功率；所述微型伺服電機(jī)可由步進(jìn)電機(jī)、壓電驅(qū)動(dòng)器替代，用于精準(zhǔn)控制激光衰減裝置；所述fpga芯片由微控制器、單片機(jī)控制系統(tǒng)、數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器替代，用于實(shí)現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換與控制；所述光電探測器由光電倍增管、光譜儀代替，用于記錄光子信息；所述labview可由python、matlab、labwindows/cvi開發(fā)環(huán)境替代，用于實(shí)現(xiàn)ui界面設(shè)計(jì)及統(tǒng)籌控制系統(tǒng)各個(gè)模塊；
5.一種全自動(dòng)智能化、多功能的高階非線性熒光動(dòng)力學(xué)測試方法，其特征在于包括以下步驟：
6.如權(quán)利要求5所述一...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：梁亮亮，劉暢，鄭磊，李志恒，
申請(專利權(quán))人：廈門大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：
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