雜散光及堆積效應對時間分辨光譜的影響

2020-08-25 09:08:18華有杰黃飛飛徐時清

實驗室研究與探索 2020年6期

華有杰，黃飛飛，徐時清

（中國計量大學光電材料與器件研究院，杭州310018）

0 引言

時間分辨光譜是一種瞬態光譜，是激發光脈沖截止后相對于激發光脈沖的不同延遲時刻測得的熒光發射，反映了激發態電子的運動過程，即熒光動力學過程［1］。一般測量的熒光發射都隨時間延遲而呈現一種衰減趨勢，所以又將時間分辨光譜稱作為熒光衰減曲線［2-3］。

時間分辨光譜不受激發光強度、熒光的光漂白等因素的影響，可消除瑞利散射和拉曼散射的干擾［4］，承載了被測樣品的許多重要信息，以其較高的靈敏度為觀察物質激發態行為提供了機會［5］。在分析共振能量轉移、生物大分子、混合物熒光時，時間分辨光譜都優于穩態熒光光譜分析［6-8］，有助于對物質的激發、弛豫過程的了解，是研究原子、分子和凝聚態物質熒光動力學的有力工具［9-13］，在物理［14-16］、化學［17-18］及生物［19-20］等研究領域有著重要的研究前景與應用價值。

時間分辨光譜學的研究始于20世紀五、六十年代［21］，目前時間分辨光譜的測定方法主要有時間相關單光子記數法（TimeCorrelatedSinglePhoton Counting，TCSPC）、相調制法和頻閃技術，其中TCSPC具有靈敏度高（能測量微弱熒光信號），動力學線性響應范圍寬（ps至ms量級），統計學參數明確等優勢，是目前應用的主要測試技術，于1975年由PTI（Photon Technology International）公司首先商品化。此外，Edinburgh Instruments、IBH、HORIBA 等公司也在生產基于TCSPC的時間分辨熒光光譜儀［22］。

本文以商用的YAG：Ce黃色熒光粉為研究對象，采用時間相關單光子記數法對其時間分辨光譜進行測試分析，著重探討光源雜散光及光子堆積效應對時間分辨光譜測試結果的影響，并通過光源光譜校正及嚴格控制狹縫參數等方法對測試過程進行優化，獲得了良好的測試效果，為從事時間分辨光譜測試分析的相關實驗技術人員提供技術參考。

1 實驗部分

（1）實驗設備。熒光光譜儀（型號FL3-211，法國，Jobin Yvon公司）；時間相關單光子計數器（型號FluoroHub，美國，Horiba公司）；泵浦光源（型號NanoLED，美國，Horiba公司）。

（2）實驗材料。YAG：Ce熒光粉（化學式Y2.94Al5O12：0.06Ce3＋，自制）；硫酸鋇（純度99.99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；帶通濾光片（型號SYK-BVI-450，北京盛亞康科技有限公司）。

2 結果與討論

2.1 時間分辨光譜測試原理

圖1所示為采用TCSPC測量熒光材料時間分辨光譜的測量原理示意圖，其硬件主要包括熒光光譜儀和時間相關單光子計數器。具體工作原理如下：①由時間相關單光子計數器產生一系列計時脈沖（NIM timing pulse），該計時脈沖一方面觸發時-幅轉換器（TAC），產生一個Start信號使其開始計時；另一方面又同步驅動脈沖光源（Pulsed source），產生具有一定頻率的脈沖激發光。②當脈沖激發光入射到待測樣品（Sample）上時，由于光致發光作用，待測樣品會產生光子發射（Emission），發射的光子經過一系列光路后，通過狹縫（Slit）進入探測器（Detector），當探測器檢測到第1個光子信號時，就將該信號傳遞給TAC，并產生一個Stop信號使其停止計時，在實際信號傳遞過程中會產生一定的時間延遲（Delay）。③利用模-數轉換器（ADC）對TAC產生的時間信號進行數字化，并利用多道分析儀（MCA）記錄下檢測到每個光子的時間，最后將具有相同時間的光子數量進行累加，根據大量光子的統計結果即可獲得所有發射光子的實際強度與時間的分布函數F（t），即時間分辨光譜。

圖1 時間分辨光譜測量原理示意圖

2.2 YAG：Ce熒光粉的晶體結構及熒光光譜

圖2 所示為YAG：Ce熒光粉的晶體結構圖。由圖可以看出，YAG的晶體結構屬于立方晶系，空間群為Ia-3d（230），晶格常數a ＝120.062 nm，V ＝17 306.8 nm，Z＝8，Y原子在晶體結構中僅占據一個24c格位，與8個氧原子配位形成十二面體，Al原子分別占據16a和24d兩個格位，其中Al1（16a）與8個氧原子配位形成八面體，而Al2（24d）與4個氧原子配位形成四面體。當在YAG晶體中引入Ce3＋離子時，Ce3＋離子將會取代部分Y3＋離子格位，形成發光中心。

圖2 YAG：Ce熒光粉的晶體結構

圖3 所示為YAG：Ce熒光粉的激發和發射光譜。從圖3（a）可以看出，當監測波長為540 nm時，該熒光粉的激發光譜由2個獨立的寬激發帶構成，其峰值分別位于342和450 nm，兩個激發帶分別對應于Ce3＋離子從基態向不同激發態的能級躍遷過程，其中342 nm激發帶屬于Ce3＋的2F5／2→2D5／2躍遷，而450 nm 激發帶屬于Ce3＋的2F5／2→2D3／2躍遷。從圖3（b）可以看出，當激發波長為450 nm時，該熒光粉能產生480～700 nm的寬帶熒光發射，其發射峰位于540 nm左右，對應于Ce3＋離子的5d→4f能級躍遷。從圖3（b）還可以看出，該熒光粉的發射帶具有明顯的左右不對稱特性，并不屬于典型的高斯型熒光發射，表明該熒光發射是由多個能級躍遷構成的。通常來說，在單一基質熒光粉中稀土離子具有多個不同能級躍遷的原因主要有：①稀土離子在晶體結構中占據不同的晶體格位，形成不同的發光中心，進而產生不同的能級躍遷；②稀土離子本身具有豐富的能級，可以產生不同的能級躍遷。從YAG：Ce熒光粉的晶體結構可以看出，YAG晶體中Y3＋離子僅有一個晶體格位，當Ce3＋離子取代Y3＋離子時只能形成一個發光中心。因此，可以排除多個不同發光中心的情況，造成YAG：Ce熒光粉發射譜帶左右不對稱的原因主要是Ce3＋離子本身具有不同的能級躍遷。實際上，Ce3＋離子的4f能級由于自旋耦合而劈裂為兩個光譜支項，即2F7／2和2F5／2，因此，當Ce3＋由最低激發態能級2D3／2向基態躍遷時會產生兩個發射譜帶，分別由2D3／2→2F7／2和2D3／2→2F5／2能級躍遷引起，使Ce3＋具有很寬的不對稱發射光譜。

2.3 YAG：Ce熒光粉的時間分辨光譜

圖3 YAG：Ce熒光粉的激發和發射光譜

不同的熒光發射波長對應于不同的熒光動力學過程，由于YAG：Ce熒光粉具有極寬的熒光發射譜帶，因此，為了深入研究YAG：Ce熒光粉的熒光動力學過程，必須對不同發射波長的時間分辨光譜進行研究。圖4為監測YAG：Ce熒光粉不同發射波長的時間分辨光譜，監測波長分別為500、520、540、560、580 和600 nm，對應于圖3（b）中虛線位置，圖4中縱坐標為累計光子數。從圖4可以看出，當監測波長分別為560、580和600 nm時，時間分辨光譜顯示為一條直線，其原因是Ce3＋離子在YAG：Ce熒光粉中僅有一個發光中心，因此其熒光動力學過程為典型的單一指數衰減過程。當監測波長分別為500、520和540 nm時可以發現，除了Ce3＋離子的單一指數衰減過程之外，圖中還出現了一個急劇衰減的雜散光信號，該雜散光信號與泵浦光源（prompt）信號非常相似，并且發射波長越靠近泵浦光源波長，該雜散光信號越明顯，導致測試結果明顯失真。因此，為了獲得準確的測試結果，在測試過程中必須消除該雜散光的影響。

圖4 監測不同發射波長的時間分辨光譜

為了探明圖4中雜散光信號的來源，分別對YAG：Ce熒光粉和BaSO4粉體的穩態熒光發射光譜進行了測試，如圖5所示。從圖5中黑線可以看出，YAG：Ce熒光粉的穩態熒光發射光譜由兩個寬帶發射峰構成，其發射峰值分別位于460和540 nm，結合光源參數和YAG：Ce熒光粉的熒光特性可以知道，前者來自泵浦光源；而后者來自YAG：Ce熒光粉的寬帶熒光發射，并且兩者在500 nm附近有一個很寬的疊加區域。為了表征泵浦光源的實際光譜范圍，選用BaSO4粉體作為參考樣品進行了發射光譜測試。由于BaSO4粉體在可見光區域具有很強的光學反射特性，并且在藍光激發下不會產生熒光發射，是一種良好的光學反射基底材料，因此，利用BaSO4粉體測得的發射光譜實際就是泵浦光源的發射光譜，如圖5中紅線所示。從圖中可以看出，該泵浦光源具有非常大的光譜半高寬（～40 nm），發射峰值位于460 nm左右，向長波方向一直延伸至550 nm。因此，當監測波長為500、520和540 nm時，該泵浦光源均會對時間分辨光譜測試結果造成不同程度的干擾，并且對500 nm的干擾較強，對540 nm的干擾較弱。同時，當監測波長為560、580和600 nm時，該泵浦光源將對時間分辨光譜測試結果的干擾完全消失，這一結果與圖4中時間分辨光譜的測試結果完全相符。因此，可以確定圖4中雜散光信號來自泵浦光源。

圖5 穩態熒光光譜

為了克服泵浦光源作為雜散光與熒光信號同時進入探測器對時間分辨光譜造成的強烈干擾，必須對泵浦光源的光譜信號進行優化。本文采用的方法是，在泵浦光源（Pulsed source）與待測樣品（Sample）之間增加一片窄帶的帶通濾光片，該濾光片的透過光譜及安裝示意圖如圖6所示。從圖6可以看出，該帶通濾光片的透過峰值位置位于450 nm，最高透過率約為90%，透過光譜半高寬僅為10 nm左右，其光譜截止區域的光學密度OD＝4，能夠有效阻擋截止波段的光線透過。當帶寬較寬的泵浦光通過該帶通濾光片時，其半高寬將從40 nm被優化為10 nm，光譜發射峰從460nm調整至450 nm，校正后的泵浦光源與圖3（a）中YAG：Ce熒光粉激發光譜完全匹配。因此，經過帶通濾光片優化的泵浦光源仍然能夠有效激發YAG：Ce熒光粉，使其產生熒光發射。

圖6 帶通濾光片透過光譜及安裝示意圖

圖7 所示為增加帶通濾光片后YAG：Ce熒光粉和BaSO4粉體的穩態（steady state）熒光發射光譜。與圖5相比，優化后的泵浦光源半高寬明顯變小，其值從40 nm縮小至10 nm左右，向長波方向最大延伸至460 nm，而YAG：Ce熒光粉在短波方向最小僅延伸至490 nm左右，因此，泵浦光源與YAG：Ce熒光粉在500 nm附近不再出現光譜重疊區域，即泵浦光源對YAG：Ce熒光粉的時間分辨光譜也將不會起到雜散光干擾作用。

圖7 增加帶通濾光片后的穩態熒光光譜

圖8 所示為增加帶通濾光片后監測YAG：Ce熒光粉不同發射波長的時間分辨光譜，監測波長分別為500、520、540、560、580 和600 nm。與圖4 相比可以發現，當監測波長分別為500、520和540 nm時，時間分辨光譜中不再出現雜散光信號，所有的曲線均為單一指數衰減過程，表明該帶通濾光片對測試信號起到了很好的優化作用。當監測波長分別為560、580和600 nm時，其測試結果與圖4保持一致，表明增加該帶通濾光片后不會對正常的測試過程引起其他負面影響。因此，增加帶通濾光片能夠對YAG：Ce熒光粉的時間分辨光譜測試提供良好的優化作用。

熒光壽命是研究發光材料熒光動力學過程的重要參數，其定義為：當某種物質被一束激發光激發后，該物質的發光中心吸收能量后從基態躍遷到某一激發態上，再以輻射躍遷的形式發出熒光回到基態。當去掉激發光后，發光中心的熒光強度降到激發時的熒光最大強度I0的1／e所需要的時間，稱為熒光壽命，常用τ表示［22］。根據不同的熒光動力學過程，選用不同的擬合函數對時間分辨光譜進行擬合即可獲得各自的熒光壽命。從上述分析可以知道，YAG：Ce熒光粉的時間分辨光譜屬于單一指數衰減過程，因此只需要采用一階指數（1-exponential）衰減的方法對其進行擬合，擬合公式如下：

式中：I（t）為熒光強度隨時間的變化值；I0為激發時的熒光最大強度；t為激發停止后經歷的時間；τ為熒光壽命。實際上，由于儀器本身存在延遲及探測器響應問題，因此通過直接測試獲得的時間分辨光譜與擬合函數的理論模型之間總是存在一定的差異，尤其是對于熒光壽命較短（納秒級）的情況，在擬合過程中必須考慮儀器本身的響應函數P（t），實際測試獲得的時間分辨光譜為儀器響應函數P（t）與理論擬合函數I（t）卷積之后的結果，表達式如下：

圖8 增加帶通濾光片后的時間分辨光譜

實際測試過程中，P（t）是極難獲得的，通常選用泵浦光源的時間分辨光譜（即prompt）來近似代替響應函數P（t），雖然這種代替存在著監測波長不同，函數本身被量子化及測試結果包含噪聲等缺點，但是，它極大地簡化了復雜時間分辨光譜的解析過程，因此一直被人們所采用。根據圖8獲得的時間分辨光譜，其一階指數（1-exponential）衰減擬合結果如表1所示。表中χ2表示理論模型與實際測試結果的擬合度，其值定義如下：

式中：Y（i）代表實際值；FD（i）代表理論值；σ（i）代表標準偏差，該值越接近于1則表明擬合程度越好。從表中可以看出，對于所有的監測波長，其擬合度χ2均小于2，表明實際測試結果與理論模型匹配得非常好，當監測波長分別為500、520、540、560、5 800 和600 nm時，其對應的τ 分別為55.5、58.5、61.9、64.1、65.0 和66.0 ns，可以發現τ隨監測波長的變大而增大。出現這種變化規律的原因是：當Ce3＋離子被泵浦光激發至激發態后，需要先經過一定的時間弛豫至激發態的較低能級，然后再躍遷至基態從而產生光子發射，其弛豫時間越長，則激發態能級越低，產生的光子發射波長越長，因此，監測波長越大則熒光壽命也越長，符合Ce3＋離子在各個波段的熒光動力學過程。

表1 YAG：Ce熒光粉的一階指數衰減擬合結果

此外，研究發現在不同狹縫條件下測試獲得的時間分辨光譜具有明顯的差異，如圖9所示。當監測波長固定為540 nm不變，光譜儀狹縫分別為0.4、0.8、1.2、1.6、2.0 和2.4 nm 時，隨著光譜儀狹縫的增大，其時間分辨光譜明顯變得扭曲，并且逐漸向短壽命方向偏移，曲線形狀不再是單一指數衰減過程，導致測試結果失真，出現嚴重的系統誤差。為了找到出現這種不良情況的原因及解決方法，需要從時間相關單光子計數器中時-幅轉換器（TAC）的工作原理進行研究。

圖9 不同狹縫條件下的時間分辨光譜

圖1 所示時-幅轉換器（TAC）的工作原理如下：TAC檢測到光子的時間是由接收到Sart和Stop兩個脈沖信號的時間差決定的，其中Stop脈沖信號由發射光子觸發。假如在一個計時周期內探測器并沒有檢測到光子，那么將不會產生Stop脈沖信號，隨后TAC將會重置并等待下一個Start脈沖信號。相反，假如在一個計時周期內產生了大量具有不同時間的光子，TAC也只能記錄第1個觸發Stop信號的光子時間，其他“遲到”的光子將被丟棄，并不能被準確記錄下來，這是時間相關單光子計數法（TCSPC）存在的固有缺點。假如有大量“遲到”的光子被丟棄，就會導致時間分辨光譜出現扭曲變形的現象，與真實的熒光壽命相比，測試獲得的熒光壽命將會向短壽命方向偏移，這一現象被稱之為堆積效應（pile-up effect）［1］。為了盡量避免出現光子堆積效應，必須嚴格控制發射光子數與光源脈沖數的比例，該比例可用獲得Stop和Start脈沖信號的頻率之比α來表示，即：

式中：Sp和St分別為獲得Stop和Start脈沖信號的頻率。一般認為，當α＜2%時，光子的堆積效應即可忽略不計。表2給出了不同狹縫條件下獲得的α值，以及分別采用一階和二階指數衰減擬合獲得的結果。從表2 可以看出，當狹縫大小分別為0.4、0.8、1.2、1.6、2.0和2.4 nm 時，其對應的α 值分別為1.8%、12.4%、30.7%、50.2%、74.3% 和99.5%，表明α 值隨著狹縫大小的增大而增大，當狹縫超過0.8 nm時，開始出現明顯的光子堆積效應。當采用一階指數衰減對其進行擬合時，擬合度參數χ2隨α的增大從1.747增大至10.926，表明該時間分辨光譜與單一指數衰減過程的擬合度越來越差，不能獲得準確的熒光壽命，因此表中并未列出。當采用二階指數衰減對其進行擬合時，χ2均小于2，獲得了良好的擬合效果。但是，當α從1.8%提高至99.5%時，測得的平均熒光壽命從60.4 ns降低至33.9 ns，產生了嚴重的系統誤差。上述結果表明，光子的堆積效應是引起時間分辨光譜測試誤差的重要原因，必須通過嚴格控制發射光子數與光源脈沖數的比例，才能有效降低光子堆積效應引起的測試誤差。