條紋相機在皮秒熒光壽命測量的應用

熒光壽命是指分子在發射光子之前停留在其激發態的平均時間。一般來說激發態的熒光強度是以指數方式衰減的，其公式如下：

其中，I0為激發態初始的熒光強度，τ為指熒光壽命。因此熒光壽命可以由分子初始熒光強度I0衰減至I0/e所需要的時間表征。

從熒光/磷光材料獲得的熒光光譜是控制和評估材料功能和特性（例如峰值波長和熒光強度）的重要參數。但是，熒光光譜通常顯示時間積分信息，因此，當材料包含多種物質和反應性元素時，它們的熒光光譜只能作為積分信息獲取。在這種情況下，一種有效的方法是通過使用時間軸參數來觀察發光動態，在皮秒到秒的范圍內測量被脈沖光激發的物質返回其基態所需的時間，這就是熒光壽命測量的意義。
現如今有兩種應用比較普遍的熒光壽命測量方法，一種是經典的TCSPC法，另一種是條紋相機法，今天小編就帶大家來捋一下這兩種方法的優劣短長。

TCSPC熒光壽命測量法

TCSPC法也就是時間相關單光子計數法（Time-correlated single photon counting），其原理如下圖所示：

脈沖光源激發樣品的同時發出一個“start”信號，探測器接收樣品發射光的同時發出一個“stop”信號，TDC模塊將不同時間進入的start信號以及stop信號相減，并且轉換為電壓信號，電壓信號由MCA模塊轉化為關于時間的計數，經由大量數據累計以后，成為計數-時間的曲線，從而得到熒光壽命。

金無足赤人無完人，在這個理論的指引下，雖然TCSPC法具有靈敏度高、測量結果準確、系統誤差小等優點，但是這種方法仍然具有一定的局限性。因為TCSPC法的探測器是基于光電倍增管的，所以TCSPC系統的性能基本上由光電倍增管決定，因此TCSPC法只能測量某一個波長下的熒光壽命；TCSPC法無法檢測熒光壽命更短的材料；TCSPC法無法測量高強度熒光，只能在弱光下測量熒光壽命。

條紋相機熒光壽命測量法

條紋相機系統作為超快時間分辨測量的專用設備，可以在一次測量中分別得到波長、時間以及強度的三維信息。其原理如下圖所示：

圖一

被測光通過狹縫，在條紋管的光陰極面上形成狹縫圖像。此時，入射的四個光脈沖分別在時間、空間以及強度上略有變化。四個光脈沖入射至光陰極面上，依次轉換成與光強度成正比的電子束，再通過加速電極，轟擊條紋管末端的熒光屏。

圖二

當電子束通過加速電極后，在與入射光同步時序的情況下向掃描電極施加高壓（圖二）。這將啟動掃描電極的高速掃描（電子從上到下掃描）。在高速掃描過程中，到達時間略有不同的電子束在垂直方向上偏轉的角度略有不同，并進入MCP（微通道板）。當電子通過MCP時，它們會倍增數千次，然后撞擊到熒光屏上，然后再次轉換為光。
在熒光屏上，較早的光脈沖相對應的熒光圖像在上方，其他圖像從上到下依次排列，將時間的分辨通過垂直坐標的位置不同來區分。同時，熒光屏的亮度會與入射光強度成正比，熒光屏水平方向上的位置對應于入射光的水平位置。至此，四個光脈沖的時間、強度以及空間信息均得到測量和顯示。

條紋相機優勢總結

1.實現100fs的時間分辨率，可以應對更多特殊的極短熒光壽命材料；

2.耦合光譜儀，可以在一次熒光壽命測試中得到一段波長的強度和時間分辨信息，波段范圍由光譜儀決定；

3.具有兩種測量模式，分別為適用于強光測量的模擬信號測量模式以及弱光測量的光子計數模式；

4.可以簡單快捷地提取時間分辨光譜信息。

兩種測量方法優劣對比

看到這里想必對TCSPC法和條紋相機法測量熒光壽命的優劣對比已經有了一定的了解，為了更加方便各位對兩種方法進行區分，總結了如下表格：

條紋相機推薦

通用型條紋相機C10910

推薦理由

1. 5種光陰極面材料，覆蓋從115nm至1600nm，絕大部分熒光材料的發射波段范圍；

2. 同步掃描、快速掃描、慢速掃描（可選），支持1ps-1ms的熒光壽命測試范圍；

3. 時序控制模塊均為0抖動，可以真實還原激光器信號以及熒光信號；

4. 軟件自動采集，操作簡單，配有專業的熒光壽命擬合功能，可進行多種組分分析。

典型的C10910型條紋相機熒光壽命測量系統
激光器激發樣品的同時會分束一部分光束用于觸發條紋相機工作，延遲單元用于調節觸發信號以及樣品信號的時序同步，當二者時序達到同步以后，條紋相機可以采集到樣品信號，再輸入至軟件進行分析。

皮秒熒光壽命測試系統C111200圖中分別是C11200系統的軟件采集結果、分析部分、系統主體部分以及前端光路部分

推薦理由

1.可以做到5ps的時間分辨率；

2. 擁有超過100000：1的動態范圍，掃描時間從1ns-10ms，可以覆蓋絕大部分熒光材料的熒光壽命參數及時間分辨光譜；

3. 可覆蓋紫外-可見-近紅外波段測量范圍；

4. 適配標準光路讓測量簡單快捷穩定。

C11200系統的光源可以搭配鈦寶石激光器、搭配放大級的鈦寶石激光器以及皮秒激光器，小編下面展示一下不同光源的具體配置：

為了使大家更加直觀的了解到條紋相機進行熒光壽命測量時展示出的波長、時間以及強度特性，下面就為大家放上兩個案例進行說明。

鈣鈦礦材料三重態研究

Qin, C., Matsushima, T., Potscavage, W.J. et al. Triplet management for efficient perovskite light-emitting diodes. Nat. Photonics 14, 70–75 (2020).

光催化材料的研究

Won, D.-I.; Lee, J.-S.; Ba, Q.; Cho, Y.-J. et al. Development of a Lower Energy Photosensitizer for Photocatalytic CO2 Reduction: Modification of Porphyrin Dye in Hybrid Catalyst System. ACS Catal 8, 1018?1030(2018).

耀嘉科技有限公司作為日本濱松光子條紋相機的專業代理公司。目前C10910系列條紋相機是應用范圍廣、配件多的條紋相機產品，廣泛被用于熒光壽命測量、瞬態吸收測量、時間分辨拉曼光譜；量子通信檢測；同步電子加速、直線電子加速器；等離子體發射、輻射以及爆炸等領域的研究。