阅读说明：本技术 一种红外和可见光集成宽光谱荧光测量方法 (Infrared and visible light integrated wide spectrum fluorescence measurement method ) 是由 刘志军 韩利琪 李凤 周相如 张保玉 于 2021-11-16 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种红外和可见光集成宽光谱荧光测量方法,包括以下步骤：半导体激光光源经过多模光纤耦合输出激光信号,所述激光信号依次经过长焦距的双胶合消色差透镜和短焦距的双胶合消色差透镜后,所述激光信号的光斑汇聚为一点；将CrErTm:GGG晶体放在温控台上保持恒定温度,调节CrErTm:GGG晶体的位置,使CrErTm:GGG晶体位于光斑汇聚点；使用平凸透镜收集红外荧光,经滤波片过滤掉泵浦光后进入傅里叶变换红外光谱仪测量中红外荧光；以及同时,在垂直光路方向将可见光光谱仪的光纤探头对准CrErTm:GGG晶体,收集可见荧光,耦合进入可见光谱仪测量可见荧光。本发明实现了红外和可见光的光谱同时测量,测量范围涵盖400nm-15000nm的宽范围。(The invention discloses an infrared and visible light integrated broad spectrum fluorescence measurement method, which comprises the following steps: the semiconductor laser light source outputs laser signals through multimode fiber coupling, and after the laser signals sequentially pass through the double-cemented achromat with long focal length and the double-cemented achromat with short focal length, light spots of the laser signals are converged into one point; placing the CrErTm and GGG crystal on a temperature control table to keep constant temperature, and adjusting the position of the CrErTm and GGG crystal to enable the CrErTm and GGG crystal to be positioned at a light spot convergence point; collecting infrared fluorescence by using a plano-convex lens, filtering pump light by using a filter plate, and then measuring the mid-infrared fluorescence by using a Fourier transform infrared spectrometer; and simultaneously, aligning the optical fiber probe of the visible light spectrometer to the CrErTm: GGG crystal in the direction perpendicular to the optical path, collecting the visible fluorescence, and coupling the visible fluorescence into the visible light spectrometer to measure the visible fluorescence. The invention realizes the simultaneous measurement of infrared and visible light spectrums, and the measurement range covers a wide range of 400nm-15000 nm.)

一种红外和可见光集成宽光谱荧光测量方法

技术领域

本发明涉及光谱测量技术领域，具体的说，涉及一种红外和可见光集成宽光谱荧光测量方法。

背景技术

荧光光谱包含了物质的重要信息，在物质发光特性和物质成分及能级的分析中具有重要应用。红外和可见光是电磁波谱当中重要的波段，这两个波段具有物质丰富的荧光谱线，被广泛用来表征光学晶体的光学性质和能级结构。由于光探测器具有有限的波长探测范围，红外和可见光的光谱测量通常是分别基于两种独立的光谱仪器，其中红外光谱测量一般采用傅里叶变换光谱仪，而可见光的光谱测量通常利用基于光栅分光的光谱仪，这两种光谱仪的分离使用导致物质的荧光光谱无法在红外和可见光两个波段同时表征。

另一方面，很多实际应用需要发展包含红外和可见光两个波段的宽光谱测量技术。例如掺Tm、Ho、Er、Dy等离子的稀土光学晶体，其荧光谱线通常分布在红外和可见光很宽的光谱范围，由于能级间的频率上转换和下转换复杂过程，红外波段的谱线和可见光波段的谱线通常相互关联，单独分离的红外光和可见光光谱测量难以表征晶体内部的载流子跃迁过程和完整的晶体荧光特性，因此需要发展能实时测量红外和可见光宽波段的光谱测量技术。

现有的光谱测量技术只能单独测量可见光光谱或者红外光谱，其中红外光谱测量一般采用傅里叶变换光谱仪【见文献：E.D.Becker and T.C.Farrar,Science 178,361(1972)】，其测量原理如图1所示，其中黑体光源辐射的红外光经过分束镜分为两路，两路光分别经过不同的光程形成干涉，其光强被碲镉汞(MCT)探测器接受，将探测的干涉光强作傅里叶变换之后得到红外光谱。可见光的光谱测量通常利用基于光栅分光的光谱仪【见文献：A.Offner,"Annular field systems and the future of optical microlithography,"Opt.Eng.26,294-299(1987).】，其测量原理如图2所示，其中可见光经过光栅衍射在空间上发生分离，不同波长的光分别被探测器阵列记录得到可见光光谱。

由于光探测器只能探测一定的波长范围，现有光谱测量技术只能单独测量可见光谱或红外光谱，这种分离的测量方式不能反映红外荧光和可见荧光的相互作用规律，不能揭示晶体内部能级间相互关联机理，而且在红外光谱和可见光光谱的单独测量时需要移动测量样品，容易引入实验误差和干扰。

发明内容

本发明提出了一种红外和可见光集成宽光谱荧光测量方法，通过垂直双光路设计，集成傅里叶变换光谱仪和光栅分光光谱仪，实现红外和可见光两个波段的实时宽光谱测量，解决了红外光谱和可见光光谱测量的分离性问题。

本发明的具体技术方案如下：

一种红外和可见光集成宽光谱荧光测量方法，包括以下步骤：

半导体激光光源(1)经过多模光纤耦合输出激光信号，

所述激光信号依次经过长焦距的双胶合消色差透镜(2)和短焦距的双胶合消色差透镜(3)后，所述激光信号的光斑汇聚为一点；

将CrErTm:GGG晶体(8)放在温控台(9)上保持恒定温度，调节CrErTm:GGG晶体(8)的位置，使CrErTm:GGG晶体(8)位于光斑汇聚点；

使用平凸透镜(4)收集红外荧光，经滤波片过滤掉泵浦光后进入傅里叶变换红外光谱仪(8)测量中红外荧光；以及同时，在垂直光路方向将可见光光谱仪(6)的光纤探头对准CrErTm:GGG晶体(8)，收集可见荧光，耦合进入可见光谱仪(6)测量可见荧光。

作为优选的技术方案，所述半导体激光光源(1)经过多模光纤耦合输出激光信号的波长为980nm。

作为优选的技术方案，所述可见光光谱仪(6)的测量范围是300-1000nm。

作为优选的技术方案，所述傅里叶变换红外光谱仪(8)的测量范围是1.8-16μm。

作为优选的技术方案，所述双胶合消色差透镜(3)的适用波段为650-1050nm。

根据本发明实施例的一种红外和可见光集成宽光谱荧光测量方法，实现了红外和可见光的光谱同时测量，测量范围涵盖400nm-15000nm的宽范围，拓展了单独的红外光谱仪和可见光光谱仪的波长测量范围，为包含红外和可见光的宽光谱荧光特性分析提供了新技术手段，在稀土晶体等物质的荧光特性测试和分析中具有重要应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明

具体实施方式

或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1示出了现有技术中的傅里叶变换光谱仪原理图；

图2示出了现有技术中的光栅光谱仪原理图；

图3示出了双光路集成的荧光光谱测试系统结构图；

图4示出了Er:YSGG晶体的可见光荧光谱和红外荧光谱图；

图5示出了CrErTm:GGG晶体的可见光荧光谱和红外荧光谱图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

现在结合说明书附图对本发明做进一步的说明。

本发明实施例提供了一种红外和可见光集成宽光谱荧光测量方法。图3示出了根据本发明实施例的双光路集成的荧光光谱测试系统结构图。如图3所示，本发明实施例基于该系统。该系统包含的实验器材有半导体激光器1、长焦距双胶合消色差透镜2、短焦距双胶合消色差透镜3、平凸透镜4、滤波片5、可见光光谱仪6、傅里叶变换红外光谱仪7、Er:YSGG或者CrErTm:GGG发光晶体8、温度可调的温控台9。半导体激光光源1经过多模光纤耦合输出后的激光信号依次经过长焦距的双胶合消色差透镜2和短焦距的双胶合消色差透镜3后，光斑汇聚为一点，将CrErTm:GGG晶体8放在温控台9上保持恒定温度，调节CrErTm:GGG晶体8的位置，使CrErTm:GGG晶体8位于光斑汇聚点；然后使用平凸透镜4收集红外荧光，经滤波片过滤掉泵浦光后进入傅里叶变换红外光谱仪7测量中红外荧光；同时，在垂直方向将可见光光谱仪6的光纤探头对准晶体8，收集可见荧光，耦合进入可见光谱仪6测量可见荧光。

上述实施案例中使用的半导体激光器输出波长为980nm，可见光光谱仪测量范围是300-1000nm，傅里叶变换红外光谱仪的测量范围是1.8-16μm，双胶合消色差透镜的适用波段为650-1050nm。所测得的Er:YSGG和CrErTm:GGG晶体的荧光光谱分别由图4和图5给出。可以看出所测得的荧光谱线同时涵盖了300-1000nm的可见光波段和1.8-16μm的近红外和中红外波段，因此本发明的光谱测量技术具有宽光谱和多频段的性能优势。

本发明基于双光路耦合的可见光谱仪和傅里叶变换红外光谱仪，可以同时测量包括可见光和红外的宽光谱荧光，拓展波长测量范围，在稀土晶体荧光特性规律和能级相互关联机理中具有重要应用价值。此外通过选择光谱仪和光学元件的工作波长，本发明也适用于其他波段的光谱测量。

以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。