[发明专利]一种测量双光子吸收截面的方法

说明书

技术领域

本发明属于光学检测领域，是一种新的测量双光子吸收截面的方法。这种测量方法可基于任何一台双光子荧光显微镜，通过双光子荧光法获取荧光材料的光强信息来测量材料的双光子吸收截面。

背景技术

双光子荧光(Two-Photon Fluorescence,2PF)是指荧光材料在高峰值功率脉冲激光激励下同时吸收光源的两个光子跃迁到激发态，再驰豫回到基态而发射出光子的一个过程。通常使用双光子作用截面(Two-PhotonActionCross-Section,ηδ)来表征材料的双光子荧光发射效率，它表示材料吸收入射光子并发射出双光子荧光的能力，等于材料的双光子吸收截面(2PA,Two-PhotonAbsorption Cross-Section,δ)与荧光量子产率(Fluorescence Quantum Yield,η)的乘积。其中，2PA截面表征材料分子发生双光子吸收的概率，反映了材料进行双光子吸收的能力。测量2PA截面的方法大致可以分为两大类，一类是从吸收截面的定义出发，进行直接测量，如非线性透过率法。用这种方法测2PA截面时，入射光功率需要很大，且所需材料的浓度比较高。此外，用此方法测量2PA截面缺乏一个参照来确定测量所用入射光功率与材料浓度是否处在一个合理的范围内。因此透过率法测得的结果容易产生比较大的误差。另外，透过率法测量对光源的功率要求比较高，普通的飞秒OPO功率往往不够，需要采用峰值功率比较高的飞秒OPA作为光源。

另一种测量2PA截面的方法是从2PA截面的效果出发，进行间接测量。如双光子荧光法测2PA截面，其大致思路：

材料产生的双光子荧光强度F与2PA截面δ的关系可表示为：

F＝δN_AcηLnI²K(1)

其中，N_A是阿伏加德罗常数，c是材料的摩尔浓度，η是材料的荧光量子产率，L表示材料的通光长度，I是入射光的强度，K是一个与光学系统的收集效率有关的一个常数。这种方法可以通过测量材料的双光子荧光强度从而反推出它的2PA截面。由于很难直接求得光学系统的收集效率，故通常采用比较法来测量，即寻找一个与待测样品双光子荧光光谱接近、且2PA截面已知的参照材料，在相同的光学环境下分别测量它们的双光子荧光，再通过参照材料的2PA截面推算出样品的2PA截面。其计算公式：

其中下标1与0分别代表样品与参照材料。由于K是一个与光学系统的通光长度与收集效率有关的常数，因此在相同的光学测量环境下，K值是相同的，即K₁＝K₂。所以，只要在相同的光学环境下，分别测得两者的双光子荧光强度F₁、F₀，并且知道它们的摩尔浓度c₁、c₀，荧光量子产率η₁、η₀，溶液的折射率n₁、n₀，以及参照材料的2PA截面δ₀，就可以得到样品的2PA截面δ₁。相较于非线性透过率法，双光子荧光法的优势主要有两点。一、双光子荧光强度与入射光强度成平方关系，可以在实验过程中减少其他非线性吸收及线性吸收带来的影响。二、荧光法测量中所用的入射光功率与材料浓度分别比透过率法低很多，这也大大减少了其他非线性吸收与线性吸收的贡献。通过减少这些干扰，双光子荧光法通常可以比非线性透过率法测得更为准确的2PA截面。

2PA截面没有成熟的商业化仪器可以使用，一般都需要自己搭建光路来测量材料的荧光光谱，进而对光谱强度进行波长积分，并用公式(2)进行计算的。然而，通过光谱仪测量的是荧光材料发射的荧光信号被散射的部分，而这部分荧光是很弱的，且容易受到环境中其他杂散光的影响，因此所测得的信号有比较大的误差。为了解决这个问题，进一步提高检测的精度，本发明设计了一种新的测量双光子吸收截面的方法，即直接用双光子荧光显微镜来获得待测样品的双光子荧光光强信号，进而用公式(2)计算得到其2PA截面。

发明内容