超快瞬态吸收各向异性探测中的两偏振同步探测系统

技术领域

本发明涉及超快瞬态吸收各向异性探测中的两偏振同步探测系统，属于激 光光谱测量技术领域。

背景技术

在超快瞬态吸收实验中且所测量样品是溶液状态时，当入射光为线性偏振 光，溶液中分子的激发概率正比于标积MA·E的平方，即cosθA2,其中θA为入射 光的电场矢量E和吸收跃迁矩MA间的夹角。当电场矢量E和吸收跃迁矩MA相互 平行时，激发跃迁概率最大；当电场矢量E和吸收跃迁矩MA相互垂直时，激发 跃迁概率为零。当线性偏振光照射一定数量的溶液分子时，吸收跃迁矩的方向 与入射光电场矢量方向接近的分子基团会被优先激发，这种现象称为光选择性。 由于激发态溶液分子基团分布是各向异性的，因此在瞬态吸收实验中探测光也 会受到各向异性的影响而测得含不同偏振特性的实验数据。考虑荧光生色团特 性，一般情况下荧光/吸收观测选择在与入射光传播方向成90°的水平面内，如图 1的Ox轴方向。探测光所测得的强度分量I_∥和I_⊥通过旋转置于光电倍增管前面的 偏振片来测定。总的强度可以表示为I＝I_x+I_y+I_z＝I_∥+2I_⊥。因此各项异性表示为 r＝(I_∥-I_⊥)/(I_∥+2I_⊥)。考虑N个空间取向随机分布的分子，在零时刻受到偏振沿 Oz轴的无限短光脉冲激发。在t时刻，受激分子的辐射跃迁矩ME具有一定的角 分布。这些跃迁矩的空间取向可用与Oz轴的夹角θ_E，及相对于Ox轴的方位角φ 来表示，如图2所示。因为Oz是对称轴，所以辐射各向异性的最终表达式应与φ 无关。对于某一给定分子i，辐射跃迁矩沿Ox,Oy,Oz轴的分量分别为MEα_i(t)、 MEβ_i(t)、MEγ_i(t),其中α_i(t)、β_i(t)、γ_i(t)是辐射跃迁矩与坐标系x、y、z夹角的余 弦值，ME为跃迁矩矢量的模。由于Oz轴为对称轴，且 $\overline{{\alpha }^2\left(t\right)}+\overline{{\beta }^2\left(t\right)}+\overline{{\gamma }^2\left(t\right)}=1,$因此$\overline{{\gamma }^2\left(t\right)}=1-2\overline{{\alpha }^2\left(t\right)}.$辐射各向异性可以表示为 $r\left(t\right)=\frac{I_{\left|\right|}\left(t\right)-I_{\perp }\left(t\right)}{I\left(t\right)}=\frac{I_z\left(t\right)-I_y\left(t\right)}{I_x\left(t\right)+I_z\left(t\right)+I_y\left(t\right)}=\overline{{\gamma }^2\left(t\right)}-\overline{{\alpha }^2\left(t\right)}=\frac{3\overline{{\gamma }^2\left(t\right)}-1}{2},$又γ＝cosθ_E，因此辐射各 向异性与跃迁矩角分布的关系为

各向异性衰减的变化能够显示生物中色素与蛋白质作用中产生的极化子 (polaron)的动态变化，侧面揭示生物蛋白分子间的传能途径及方式，对人工模拟 新能源起到重要作用。现有的测量偏振各向异性的方法是在瞬态吸收实验中将 探测光偏振调节为水平测量一套数据，随后再将探测光调节为垂直偏振再进行 一次测量，将两次测得的数据通过上述的理论计算得到各向异性衰减的过程。

现在对各向异性衰减探测的方法就是基于瞬态吸收实验的基础上通过两次 测量，即探测光水平偏振探测和垂直偏振探测。由于上述原理中所描述，两次 不同偏振特性的探测光的动力学信号是不同的。对相同波长的两组不同偏振的 动力学数据进行数学计算即能得出各向异性衰减数据。两次动力学的数学运算 实际上是相同时间延迟下所测得光强之间的数学关系。如果两次探测相继进行， 那么我们需要两次探测中要有绝对相同的延迟时间、相同的激光条件、相同的 样品条件及相同的探测条件。而这些苛刻的条件经过一组测试的时间长度后很 难真正做到，而这样的差异会导致最后进行运算得到的数据结果不准确，影响 对真实信号的分析及解释。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在无法同步测量导致最后进行运算得到的数据 结果不准确，影响对真实信号的分析及解释的问题，提出超快瞬态吸收各向异 性探测中的两偏振同步探测系统。

本发明的技术方案如下：

偏振探测光入射到格兰偏振分光棱镜Ⅰ分光，分光后平行偏振光入射到 反射镜Ⅰ，平行偏振光经过反射后经过电控开关Ⅰ入射到格兰偏振分光棱镜 Ⅱ上，经过格兰偏振分光棱镜Ⅱ后被探测器接收；分光后垂直偏振光经过电 控开关Ⅱ入射到反射镜Ⅱ上，垂直偏振光经反射镜Ⅱ反射到格兰偏振分光棱 镜Ⅱ上，再经过格兰偏振分光棱镜Ⅱ后被探测器接收。

所述入射的偏振探测光为45°偏振光。

本发明的有益效果：该探测系统保证相同的延迟时间、相同的激光条件、 相同的样品条件及相同的探测条件下，对样品进行了实验探测，实现了瞬态吸 收各向异性的最真实还原，为探究生物传能本质打下坚实基础。

附图说明

图1为现有技术中入射光通过溶液样品之后探测到的总的光强为I＝I_∥+ 2I_⊥示意图。

图2为辐射跃迁矩的坐标系。

图3为本发明超快瞬态吸收各向异性探测中的两偏振同步探测系统示意图； 其中：1、格兰偏振分光棱镜Ⅰ，2、反射镜Ⅰ，3、电控开关Ⅰ，4、电控开 关Ⅱ，5、反射镜Ⅱ，6、格兰偏振分光棱镜Ⅱ，7、探测器。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图3所示，偏振探测光入射到格兰偏振分光棱镜Ⅰ1分光，分光后平行 偏振光入射到反射镜Ⅰ2，平行偏振光经过反射后经过电控开关Ⅰ3入射到 格兰偏振分光棱镜Ⅱ6上，经过格兰偏振分光棱镜Ⅱ6后被探测器7接收；分 光后垂直偏振光经过电控开关Ⅱ4入射到反射镜Ⅱ5上，垂直偏振光经反射 镜Ⅱ5反射到格兰偏振分光棱镜Ⅱ6上，再经过格兰偏振分光棱镜Ⅱ6后被探 测器7接收。

在前端瞬态吸收实验系统中，将偏振探测光调节为45°偏振，在与样品作用 过程中，该偏振光水平与垂直分量均起到了等分作用。当偏振探测光经过样品 后入射到格兰偏振分光棱镜Ⅰ1上，格兰偏振分光棱镜Ⅰ1将偏振光分成偏振分 别为水平与垂直的两光束。将两个电控开关置于两路探测光路中，并运用格兰 偏振分光棱镜Ⅱ6将两束光合束并引入同一探测器7中。当电控开关在同一时间 延迟时相互交替开关一次，即电控开关Ⅰ3关电控开关Ⅱ4开及电控开关Ⅱ4 关电控开关Ⅰ3开时，能够完成两偏振探测光的同步测量。经由计算机控制， 将电控开关Ⅰ3关电控开关Ⅱ4开及电控开关Ⅱ4关电控开关Ⅰ3开时采集到 的数据分别记录，便可以得到相同的延迟时间、相同的激光条件、相同的样品 条件及相同的探测条件下的实验数据。