DD156398B1

DD156398B1 - Picosecond PHASENFLUOROMETER

Info

Publication number: DD156398B1
Application number: DD22767381A
Authority: DD
Inventors: Klaus Berndt
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1981-02-17
Filing date: 1981-02-17
Publication date: 1987-09-16
Also published as: DD156398A1

Description

Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing

Field of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet derzeitaufgelösten Spektroskopie im Picosekunden-Bereich mit Hilfe von kontinuierlich arbeitenden modensynchronisierten Lasern.The invention relates to the field of currently resolved picosecond spectroscopy with the aid of continuously operating mode-locked lasers.

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Zur Messung von Fluoreszenz-Abklingzeiten im Picosekunden-Bereich werden zunehmend Phasenfluorometer eingesetzt. Ein Phasenfluorometer enthält eine sinusförmig intensitätsmodulierte Lichtquelle zur Anregung der fluoreszenzfähigen Probe. Das Fluoreszenzlicht der Probe ist mit der gleichen Frequenz ebenfalls sinusförmig intensitätsmoduliert. Es weist jedoch eine Phasenverschiebung gegenüber der Anregungsstrahlung auf, die eng mit der Fluoreszenzlebensdauer verknüpft ist. Durch Messen der Phasenverschiebung kann daher die Fluoreszenzlebensdauer ermittelt werden.For measuring fluorescence cooldowns in the picosecond range, phase fluorometers are increasingly being used. A phase fluorometer contains a sinusoidal intensity modulated light source for exciting the fluoresceable sample. The fluorescent light of the sample is also intensity-modulated sinusoidally at the same frequency. However, it has a phase shift with respect to the excitation radiation, which is closely linked to the fluorescence lifetime. By measuring the phase shift, therefore, the fluorescence lifetime can be determined.

Für die Untersuchung von Fluoreszenzprozessen im Picosekundenbereich sind zur Gewinnung aussagekräftiger Meßergebnisse zahlreiche Modulationsfrequenzen im Gebiet 100MHz... 1 000MHz wünschenswert (Spencer, R. D. u.a., J. Chem. Phys. 52,1654, [1970]). Zur Erzeugung der sinusförmigen Modulation des Anregungslichtes werden in der Regel sehr aufwendige Modulatoren benutzt (Spencer, R. D. u. a., Ann. N. Y. Acad. Sei. 158,361, [1969]). Die höchste bisher mittels Modulatoren in Phasenfluorometern erzeugte Frequenz beträgt 300MHz (Haar, H.-P. u.a., Chem. Phys. Lett. 49, 563, [1977]).For the investigation of fluorescence processes in the picosecond range, numerous modulation frequencies in the range 100 MHz to 1000 MHz are desirable for obtaining meaningful measurement results (Spencer, R.D., et al., J. Chem. Phys. 52, 165, 1970). Very complex modulators are usually used to generate the sinusoidal modulation of the excitation light (Spencer, R.D. et al., Ann. N.Y. Acad. Sci. 158, 361, [1969]). The highest frequency ever produced by modulators in phase fluorometers is 300 MHz (Haar, H.-P. et al., Chem. Phys. Lett. 49, 563, [1977]).

Der Nachteil der Modulatoren besteht darin, daß zur Erzielung des in Phasenfluorometern erwünschten hohen Modulationsgrades sehr große Höchstfrequenz-Spannungen benötigt werden. Diese sind nur erreichbar durch Anwendung von Resonanzkreisen. Die Durchstimmung solcher Kreise über den obengenannten Frequenzbereich ist jedoch kaum realisierbar. Auf sehr einfache Weise kann ohne Verwendung eines Modulators nach einem bekannten Verfahren (DD-PS 147982, H01 S, 3/10) an Argonlasern eine sinusförmige Modulation der Laserstrahlung erzielt werden, in dem die Zahl der angeregten Moden auf zwei reduziert wird. Quantendetektoren, wie z. B. fluoreszenzfähige Proben, empfinden die zwei nicht gekoppelten Moden als sinusförmige Intensitätsmodulation.The disadvantage of the modulators is that very high maximum frequency voltages are needed to achieve the desired in Phasenfluorometern high degree of modulation. These can only be achieved by using resonant circuits. The tuning of such circles over the above frequency range, however, is hardly feasible. In a very simple way, without using a modulator according to a known method (DD-PS 147982, H01 S, 3/10) of argon lasers, a sinusoidal modulation of the laser radiation can be achieved by reducing the number of excited modes to two. Quantum detectors, such. B. fluorescent samples, feel the two uncoupled modes as sinusoidal intensity modulation.

Es entsteht ein Schwebungssignal analog zur Mischung der Signale zweier nicht gekoppelter elektrischer Sinusgeneratoren. Nachteilig bei diesem Verfahren ist der Umstand, daß infolge komplexer plasma- und laserphysikalischer Prozesse und unabhängig von der Laserresonatorlänge nur Modulationsfrequenzen im Bereich 500 MHz... 900 MHz erzielt werden können. Auch in einem He-Ne-Laserwurde bereitsdurch Reduzierung derZahl der Moden mittelseinestemperatur-stabilisierten Etalons eine sinusförmige Modulation bei 78.4 MHz und bei 156.8 MHz erreicht und in einem Phasenfluorometer angewendet (Schubert, D. u.a., Exp. Tech. Phys. 28, 435, [1980]).The result is a beat signal analogous to the mixing of the signals of two non-coupled electrical sine generators. A disadvantage of this method is the fact that only modulation frequencies in the range 500 MHz ... 900 MHz can be achieved as a result of complex plasma and laser-physical processes and independent of the laser resonator. Even in a He-Ne laser, sinusoidal modulation at 78.4 MHz and 156.8 MHz has already been achieved by reducing the number of modes of temperature stabilized etalon and applied in a phase fluorometer (Schubert, D. et al., Exp. Tech., Phys. [1980]).

Die erzielte Modulation reagierte jedoch äußerst empfindlich auf Änderungen der Laserresonatorlänge und der Resonanz des eingefügten Etalons, insbesondere infolge thermische Effekte. Der Laser emittierte bei dieser Betriebsweise eine relativ geringe Leistung von einigen mW.However, the modulation achieved was extremely sensitive to changes in laser cavity length and resonance of the inserted etalon, particularly due to thermal effects. The laser emitted in this mode a relatively low power of a few mW.

Object of the invention

Ziel der Erfindung ist es, auf einfache Weise phasenfluorometrische Messungen hoher Aussagekraft zur Untersuchung von Fluoreszenzprozessen im Picosekunden-Bereich durchführen zu können.The aim of the invention is to be able to perform simple phase fluorometric measurements of high significance for the investigation of fluorescence processes in the picosecond range.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zug runde, eine Phasenfluorometeranordnung anzugeben, in der die Anregungslichtquelle stabil mit Frequenzen zwischen ca. 100MHz und ca. 1 000 MHz moduliert ist. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Pikosekunden-Phasenfluorometer, in dem die Anregungslichtquelle ein aktiv oder passiv modensynchronisierter, kontinuierlich arbeitender Laser ist. Zur Wellenlängen-Transformation der Anregungsstrahlung ist dem Laser ein optisch nichtlineares Medium zugeordnet.The invention has the object zug round, to provide a Phasenfluorometeranordnung in which the excitation light source is modulated stable with frequencies between about 100MHz and about 1000 MHz. The object is achieved by a picosecond phase fluorometer in which the excitation light source is an active or passive mode-locked, continuously operating laser. For the wavelength transformation of the excitation radiation, the laser is assigned an optically non-linear medium.

Im Betrieb wird die Tatsache genutzt, daß infolge der aktiven oder passiven Modensynchronisation eine phasenstarre Kopplung aller longitudinal Moden erzielt wird. Quantendetektoren, wie z. B. fluoreszenzfähige Proben, empfinden daher die Laserstrahlung bei allen Vielfachen des einfachen Modenabstandes als sinusförmig intensitätsmoduliert, wobei dank der starken Kopplung aller Moden auch bei den höchsten Modulationsfrequenzen ein sehr niedriges Seitenbandrauschen zu verzeichnen ist. Dieses niedrige Rauschen ist für die Durchführung genauer Phasenmessungen von Bedeutung. Bei nicht gekoppelten Moden würde man ein wesentlich schiechteres Signal-Rausch-Verhältnis erhalten und die Aussagekraft der Messungen wäre erheblich eingeschränkt.In operation, the fact is used that due to the active or passive mode synchronization, a phase-locked coupling of all longitudinal modes is achieved. Quantum detectors, such. B. fluorescent samples, therefore, the laser radiation at all multiples of the simple mode spacing perceived as sinusoidal intensity modulated, which is thanks to the strong coupling of all modes, even at the highest modulation frequencies, a very low sideband noise is recorded. This low noise is important for performing accurate phase measurements. With uncoupled modes one would receive a much worse signal-to-noise ratio and the informative value of the measurements would be considerably limited.

Durch die aktive oder passive Modensynchronisation emittiert der Laser seine Strahlung in Form ultrakurzer Impulse. Für die Erfindung ist dieser Umstand nicht von unmittelbarem Interesse. Er kann aber in einer Variante der erfindungsgemäßen Anordnung zusätzlich genutzt werden. Diese Variante besteht darin, daß im Strahlengang des Lasers ein optisch nichtlineares Medium vorhanden ist. Wegen der hohen Spitzenleistung der Impulse ist im optisch nichtlinearen Medium eine sehr effektive Umwandlung der Laserstrahlung in eine Strahlung mit kürzerer Wellenlänge möglich. Die so erzeugten periodischen Impulse enthalten die gleichen Modulationsfrequenzen wie die Primärstrahlung.Through active or passive mode synchronization, the laser emits its radiation in the form of ultrashort pulses. For the invention this circumstance is not of immediate interest. But it can also be used in a variant of the arrangement according to the invention. This variant consists in that an optically non-linear medium is present in the beam path of the laser. Because of the high peak power of the pulses, a very effective conversion of the laser radiation into radiation with a shorter wavelength is possible in the optically non-linear medium. The periodic pulses thus generated contain the same modulation frequencies as the primary radiation.

Execution example

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung ist das Schema eines Picosekunden-Phasenfluorometers dargestellt. Im kontinuierlich arbeitenden Laser L befindet sich zur Erzielung aktiver Modensynchronisation der Modulator ML, der mit Hilfe des Sinusgenerators G angesteuert wird. Hat der Laser beispielsweise eine Resonatorlänge von 150cm, so beträgt der Frequenzabstand benachbarter longitudinaler Moden f = c/ 2L= 100 MHz. Der Modulator muß daher so angesteuert werden, daß er eine Phasen- oder Verlust-Modulation mit der Frequenz 100MHz bewirkt. Die Laserstrahlung enthält dann infolge von Schwebungen zwischen den stabil gekoppelten Moden stabile Modulationen bei 100 MHz, 200 MHz, 300 MHz usw., obwohl der Modulator nur mit einer einzigen Frequenz angesteuert wird. Im Strahlengang des Lasers befindet sich die fluoreszierende Probe FP, deren Fluoreszenzlicht mit Hilfe von zwei Linsen 0 auf den Photodetektor PD2 fokussiert wird. Im Strahlengang zwischen der Probe und dem Photodetektor PD2 sind ein drehbarer Polarisator P zur Trennung verschiedener Polarisations-Komponenten und ein Wellenlängen-Filter zur wellenlängen-selektiven Registrierung angeordnet.The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the accompanying drawing the scheme of a picosecond phase fluorometer is shown. In the continuously operating laser L is to achieve active mode synchronization of the modulator ML, which is controlled by means of the sine generator G. For example, if the laser has a resonator length of 150 cm, the frequency spacing of adjacent longitudinal modes is f = c / 2L = 100 MHz. The modulator must therefore be controlled so that it causes a phase or loss modulation with the frequency 100MHz. The laser radiation then contains stable modulations at 100 MHz, 200 MHz, 300 MHz, etc., due to beats between the stably coupled modes, although the modulator is driven at only a single frequency. In the beam path of the laser is the fluorescent sample FP, whose fluorescent light is focused by means of two lenses 0 on the photodetector PD2. In the beam path between the sample and the photodetector PD2, a rotatable polarizer P for separating different polarization components and a wavelength filter for wavelength-selective registration are arranged.

Im Strahlengang des Lasers L befindet sich außer der Probe FP ein Strahlteiler T zur Auslenkung eines kleinen Anteils der Strahlung auf den verschiebbar angeordneten Vergleichs-Photodektor PD1. Vor dem Vergleichs-Photodektor PD1 befindet sich ein Abschwächer S zur Einstellung näherungsweise gleicher Signal-Amplituden der beiden Photodetektoren. Die Ausgänge der Photodetektoren PDI und PD2 sind mit einer Addier-Stufe A verbunden, deren Ausgang an ein frequenzselektives Voltmeter V angeschlossen ist.In the beam path of the laser L is in addition to the sample FP, a beam splitter T for deflecting a small portion of the radiation to the slidably arranged comparison photodiode PD1. Before the comparison photodiode PD1 is an attenuator S for setting approximately equal signal amplitudes of the two photodetectors. The outputs of the photodetectors PDI and PD2 are connected to an adder stage A whose output is connected to a frequency-selective voltmeter V.

Zur Untersuchung der Fluoreszenz-Verhaltens wird das selektive Voltmeter nacheinander auf die Frequenzen 100 MHz, 200 MHz, 300MHz usw. eingestellt und bei jeder Frequenz eine Messung der Phasenverschiebungen durchgeführt. Die Phasenverschiebungen erhält man unter Berücksichtigung der Lichtgeschwindigkeit aus den notwendigen Verschiebungen des Vergleichs-Photodetektors PD1 bis zum Erreichen eines Extremwertes der Spannung am selektiven Voltmeter V. Zur Bestimmung des Nullpunktes der Photodetektor-Verschiebung ist eine Eichung erforderlich. Hierzu wird die fluoreszierende Probe FP durch eine streuende Probe ersetzt. Der Vergleichs-Photodetektor PDl wird dann soweit verschoben, bis bei näherungsweise gleichen Signal-Amplituden der beiden Photodektoren PD1 und PD2 die Spannung am selektiven Voltmeter V einen Extremwert annimmt.To study the fluorescence behavior, the selective voltmeter is sequentially set to the frequencies 100 MHz, 200 MHz, 300 MHz, etc., and a phase shift measurement is performed at each frequency. The phase shifts are obtained taking into account the speed of light from the necessary shifts of the comparison photodetector PD1 until reaching an extreme value of the voltage at the selective voltmeter V. To determine the zero point of the photodetector shift, a calibration is required. For this purpose, the fluorescent sample FP is replaced by a scattering sample. The comparison photodetector PD1 is then shifted so far that at approximately the same signal amplitudes of the two photodetectors PD1 and PD2, the voltage at the selective voltmeter V assumes an extreme value.

Ein Vorteil dieser Phasenfluorometer-Anordnung besteht darin, daß der Modulator nur mit der Frequenz 100 MHz arbeitet, die Anregungs-Strahlung für die fluoreszierende Probe aber mit zahlreichen Frequenzen wie lOOMHz, 200MHz, 300MHz usw. moduliert ist, die einen großen Frequenzbereich überstreichen und größer als 100MHz sind. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß zur Erzielung der Modensynchronisation schon ein relativ niedriger Modulationsgrad im Modulator genügt.An advantage of this phase fluorometer arrangement is that the modulator operates only at the frequency of 100 MHz, but the excitation radiation for the fluorescent sample is modulated with numerous frequencies, such as 10 Hz, 200 MHz, 300 MHz, etc., which cover a large frequency range and larger than 100MHz. Another advantage is that even a relatively low degree of modulation in the modulator is sufficient to achieve the mode synchronization.

Claims

1. Picosecond phase fluorometer for a very large frequency range, which has an intensity-modulated excitation light source, characterized in that the excitation light source is an active or passive mode-locked, continuously operating laser.

2. picosecond phase fluorometer according to item 1, characterized in that the laser for Wellenlängerr transformation is associated with an optically non-linear medium.