華有杰， 黃飛飛， 徐時清

（中國計(jì)量大學(xué)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(tài)光譜，是激發(fā)光脈沖截止后相對于激發(fā)光脈沖的不同延遲時刻測得的熒光發(fā)射，反映了激發(fā)態(tài)電子的運(yùn)動過程，即熒光動力學(xué)過程［1］。一般測量的熒光發(fā)射都隨時間延遲而呈現(xiàn)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(fā)光強(qiáng)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(zhì)激發(fā)態(tài)行為提供了機(jī)會［5］。在分析共振能量轉(zhuǎn)移、生物大分子、混合物熒光時，時間分辨光譜都優(yōu)于穩(wěn)態(tài)熒光光譜分析［6-8］，有助于對物質(zhì)的激發(fā)、弛豫過程的了解，是研究原子、分子和凝聚態(tài)物質(zhì)熒光動力學(xué)的有力工具［9-13］，在物理［14-16］、化學(xué)［17-18］及生物［19-20］等研究領(lǐng)域有著重要的研究前景與應(yīng)用價值。

時間分辨光譜學(xué)的研究始于20世紀(jì)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(guān)單光子記數(shù)法（TimeCorrelatedSinglePhoton Counting，TCSPC）、相調(diào)制法和頻閃技術(shù)，其中TCSPC具有靈敏度高（能測量微弱熒光信號），動力學(xué)線性響應(yīng)范圍寬（ps至ms量級），統(tǒng)計(jì)學(xué)參數(shù)明確等優(yōu)勢，是目前應(yīng)用的主要測試技術(shù)，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(chǎn)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(guān)單光子記數(shù)法對其時間分辨光譜進(jìn)行測試分析，著重探討光源雜散光及光子堆積效應(yīng)對時間分辨光譜測試結(jié)果的影響，并通過光源光譜校正及嚴(yán)格控制狹縫參數(shù)等方法對測試過程進(jìn)行優(yōu)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(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員提供技術(shù)參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)備。熒光光譜儀（型號FL3-211，法國，Jobin Yvon公司）；時間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器（型號FluoroHub，美國，Horiba公司）；泵浦光源（型號NanoLED，美國，Horiba公司）。

（2）實(shí)驗(yàn)材料。YAG：Ce熒光粉（化學(xué)式Y(jié)2.94Al5O12：0.06Ce3＋，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(jié)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(guān)單光子計(jì)數(shù)器。具體工作原理如下：①由時間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器產(chǎn)生一系列計(jì)時脈沖（NIM timing pulse），該計(jì)時脈沖一方面觸發(fā)時-幅轉(zhuǎn)換器（TAC），產(chǎn)生一個Start信號使其開始計(jì)時；另一方面又同步驅(qū)動脈沖光源（Pulsed source），產(chǎn)生具有一定頻率的脈沖激發(fā)光。②當(dāng)脈沖激發(fā)光入射到待測樣品（Sample）上時，由于光致發(fā)光作用，待測樣品會產(chǎn)生光子發(fā)射（Emission），發(fā)射的光子經(jīng)過一系列光路后，通過狹縫（Slit）進(jìn)入探測器（Detector），當(dāng)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(chǎn)生一個Stop信號使其停止計(jì)時，在實(shí)際信號傳遞過程中會產(chǎn)生一定的時間延遲（Delay）。③利用模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）對TAC產(chǎn)生的時間信號進(jìn)行數(shù)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(shù)量進(jìn)行累加，根據(jù)大量光子的統(tǒng)計(jì)結(jié)果即可獲得所有發(fā)射光子的實(shí)際強(qiáng)度與時間的分布函數(shù)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(jié)構(gòu)及熒光光譜

圖2 所示為YAG：Ce熒光粉的晶體結(jié)構(gòu)圖。由圖可以看出，YAG的晶體結(jié)構(gòu)屬于立方晶系，空間群為Ia-3d（230），晶格常數(shù)a ＝120.062 nm，V ＝17 306.8 nm，Z＝8，Y原子在晶體結(jié)構(gòu)中僅占據(jù)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(jù)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(dāng)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(fā)光中心。

圖2 YAG：Ce熒光粉的晶體結(jié)構(gòu)

圖3 所示為YAG：Ce熒光粉的激發(fā)和發(fā)射光譜。從圖3（a）可以看出，當(dāng)監(jiān)測波長為540 nm時，該熒光粉的激發(fā)光譜由2個獨(dú)立的寬激發(fā)帶構(gòu)成，其峰值分別位于342和450 nm，兩個激發(fā)帶分別對應(yīng)于Ce3＋離子從基態(tài)向不同激發(fā)態(tài)的能級躍遷過程，其中342 nm激發(fā)帶屬于Ce3＋的2F5／2→2D5／2躍遷，而450 nm 激發(fā)帶屬于Ce3＋的2F5／2→2D3／2躍遷。從圖3（b）可以看出，當(dāng)激發(fā)波長為450 nm時，該熒光粉能產(chǎn)生480～700 nm的寬帶熒光發(fā)射，其發(fā)射峰位于540 nm左右，對應(yīng)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(fā)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(fā)射，表明該熒光發(fā)射是由多個能級躍遷構(gòu)成的。通常來說，在單一基質(zhì)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(jié)構(gòu)中占據(jù)不同的晶體格位，形成不同的發(fā)光中心，進(jìn)而產(chǎn)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(chǎn)生不同的能級躍遷。從YAG：Ce熒光粉的晶體結(jié)構(gòu)可以看出，YAG晶體中Y3＋離子僅有一個晶體格位，當(dāng)Ce3＋離子取代Y3＋離子時只能形成一個發(fā)光中心。因此，可以排除多個不同發(fā)光中心的情況，造成YAG：Ce熒光粉發(fā)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(shí)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(xiàng)，即2F7／2和2F5／2，因此，當(dāng)Ce3＋由最低激發(fā)態(tài)能級2D3／2向基態(tài)躍遷時會產(chǎn)生兩個發(fā)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(fā)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(fā)和發(fā)射光譜

不同的熒光發(fā)射波長對應(yīng)于不同的熒光動力學(xué)過程，由于YAG：Ce熒光粉具有極寬的熒光發(fā)射譜帶，因此，為了深入研究YAG：Ce熒光粉的熒光動力學(xué)過程，必須對不同發(fā)射波長的時間分辨光譜進(jìn)行研究。圖4為監(jiān)測YAG：Ce熒光粉不同發(fā)射波長的時間分辨光譜，監(jiān)測波長分別為500、520、540、560、580 和600 nm，對應(yīng)于圖3（b）中虛線位置，圖4中縱坐標(biāo)為累計(jì)光子數(shù)。從圖4可以看出，當(dāng)監(jiān)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(fā)光中心，因此其熒光動力學(xué)過程為典型的單一指數(shù)衰減過程。當(dāng)監(jiān)測波長分別為500、520和540 nm時可以發(fā)現(xiàn)，除了Ce3＋離子的單一指數(shù)衰減過程之外，圖中還出現(xiàn)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(fā)射波長越靠近泵浦光源波長，該雜散光信號越明顯，導(dǎo)致測試結(jié)果明顯失真。因此，為了獲得準(zhǔn)確的測試結(jié)果，在測試過程中必須消除該雜散光的影響。

圖4 監(jiān)測不同發(fā)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(wěn)態(tài)熒光發(fā)射光譜進(jìn)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(wěn)態(tài)熒光發(fā)射光譜由兩個寬帶發(fā)射峰構(gòu)成，其發(fā)射峰值分別位于460和540 nm，結(jié)合光源參數(shù)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(fā)射，并且兩者在500 nm附近有一個很寬的疊加區(qū)域。為了表征泵浦光源的實(shí)際光譜范圍，選用BaSO4粉體作為參考樣品進(jìn)行了發(fā)射光譜測試。由于BaSO4粉體在可見光區(qū)域具有很強(qiáng)的光學(xué)反射特性，并且在藍(lán)光激發(fā)下不會產(chǎn)生熒光發(fā)射，是一種良好的光學(xué)反射基底材料，因此，利用BaSO4粉體測得的發(fā)射光譜實(shí)際就是泵浦光源的發(fā)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(fā)射峰值位于460 nm左右，向長波方向一直延伸至550 nm。因此，當(dāng)監(jiān)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(jié)果造成不同程度的干擾，并且對500 nm的干擾較強(qiáng)，對540 nm的干擾較弱。同時，當(dāng)監(jiān)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(jié)果的干擾完全消失，這一結(jié)果與圖4中時間分辨光譜的測試結(jié)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(wěn)態(tài)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(jìn)入探測器對時間分辨光譜造成的強(qiáng)烈干擾，必須對泵浦光源的光譜信號進(jìn)行優(yōu)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(qū)域的光學(xué)密度OD＝4，能夠有效阻擋截止波段的光線透過。當(dāng)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(yōu)化為10 nm，光譜發(fā)射峰從460nm調(diào)整至450 nm，校正后的泵浦光源與圖3（a）中YAG：Ce熒光粉激發(fā)光譜完全匹配。因此，經(jīng)過帶通濾光片優(yōu)化的泵浦光源仍然能夠有效激發(fā)YAG：Ce熒光粉，使其產(chǎn)生熒光發(fā)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(wěn)態(tài)（steady state）熒光發(fā)射光譜。與圖5相比，優(yōu)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(xiàn)光譜重疊區(qū)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(wěn)態(tài)熒光光譜

圖8 所示為增加帶通濾光片后監(jiān)測YAG：Ce熒光粉不同發(fā)射波長的時間分辨光譜，監(jiān)測波長分別為500、520、540、560、580 和600 nm。與圖4 相比可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)監(jiān)測波長分別為500、520和540 nm時，時間分辨光譜中不再出現(xiàn)雜散光信號，所有的曲線均為單一指數(shù)衰減過程，表明該帶通濾光片對測試信號起到了很好的優(yōu)化作用。當(dāng)監(jiān)測波長分別為560、580和600 nm時，其測試結(jié)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(fù)面影響。因此，增加帶通濾光片能夠?qū)AG：Ce熒光粉的時間分辨光譜測試提供良好的優(yōu)化作用。

熒光壽命是研究發(fā)光材料熒光動力學(xué)過程的重要參數(shù)，其定義為：當(dāng)某種物質(zhì)被一束激發(fā)光激發(fā)后，該物質(zhì)的發(fā)光中心吸收能量后從基態(tài)躍遷到某一激發(fā)態(tài)上，再以輻射躍遷的形式發(fā)出熒光回到基態(tài)。當(dāng)去掉激發(fā)光后，發(fā)光中心的熒光強(qiáng)度降到激發(fā)時的熒光最大強(qiáng)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(jù)不同的熒光動力學(xué)過程，選用不同的擬合函數(shù)對時間分辨光譜進(jìn)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(shù)衰減過程，因此只需要采用一階指數(shù)（1-exponential）衰減的方法對其進(jìn)行擬合，擬合公式如下：

式中：I（t）為熒光強(qiáng)度隨時間的變化值；I0為激發(fā)時的熒光最大強(qiáng)度；t為激發(fā)停止后經(jīng)歷的時間；τ為熒光壽命。實(shí)際上，由于儀器本身存在延遲及探測器響應(yīng)問題，因此通過直接測試獲得的時間分辨光譜與擬合函數(shù)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(yīng)函數(shù)P（t），實(shí)際測試獲得的時間分辨光譜為儀器響應(yīng)函數(shù)P（t）與理論擬合函數(shù)I（t）卷積之后的結(jié)果，表達(dá)式如下：

圖8 增加帶通濾光片后的時間分辨光譜

實(shí)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(yīng)函數(shù)P（t），雖然這種代替存在著監(jiān)測波長不同，函數(shù)本身被量子化及測試結(jié)果包含噪聲等缺點(diǎn)，但是，它極大地簡化了復(fù)雜時間分辨光譜的解析過程，因此一直被人們所采用。根據(jù)圖8獲得的時間分辨光譜，其一階指數(shù)（1-exponential）衰減擬合結(jié)果如表1所示。表中χ2表示理論模型與實(shí)際測試結(jié)果的擬合度，其值定義如下：

式中：Y（i）代表實(shí)際值；FD（i）代表理論值；σ（i）代表標(biāo)準(zhǔn)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(jiān)測波長，其擬合度χ2均小于2，表明實(shí)際測試結(jié)果與理論模型匹配得非常好，當(dāng)監(jiān)測波長分別為500、520、540、560、5 800 和600 nm時，其對應(yīng)的τ 分別為55.5、58.5、61.9、64.1、65.0 和66.0 ns，可以發(fā)現(xiàn)τ隨監(jiān)測波長的變大而增大。出現(xiàn)這種變化規(guī)律的原因是：當(dāng)Ce3＋離子被泵浦光激發(fā)至激發(fā)態(tài)后，需要先經(jīng)過一定的時間弛豫至激發(fā)態(tài)的較低能級，然后再躍遷至基態(tài)從而產(chǎn)生光子發(fā)射，其弛豫時間越長，則激發(fā)態(tài)能級越低，產(chǎn)生的光子發(fā)射波長越長，因此，監(jiān)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(xué)過程。

表1 YAG：Ce熒光粉的一階指數(shù)衰減擬合結(jié)果

此外，研究發(fā)現(xiàn)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(dāng)監(jiān)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(shù)衰減過程，導(dǎo)致測試結(jié)果失真，出現(xiàn)嚴(yán)重的系統(tǒng)誤差。為了找到出現(xiàn)這種不良情況的原因及解決方法，需要從時間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)器中時-幅轉(zhuǎn)換器（TAC）的工作原理進(jìn)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(zhuǎn)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(fā)射光子觸發(fā)。假如在一個計(jì)時周期內(nèi)探測器并沒有檢測到光子，那么將不會產(chǎn)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(jì)時周期內(nèi)產(chǎn)生了大量具有不同時間的光子，TAC也只能記錄第1個觸發(fā)Stop信號的光子時間，其他“遲到”的光子將被丟棄，并不能被準(zhǔn)確記錄下來，這是時間相關(guān)單光子計(jì)數(shù)法（TCSPC）存在的固有缺點(diǎn)。假如有大量“遲到”的光子被丟棄，就會導(dǎo)致時間分辨光譜出現(xiàn)扭曲變形的現(xiàn)象，與真實(shí)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(xiàn)象被稱之為堆積效應(yīng)（pile-up effect）［1］。為了盡量避免出現(xiàn)光子堆積效應(yīng)，必須嚴(yán)格控制發(fā)射光子數(shù)與光源脈沖數(shù)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(rèn)為，當(dāng)α＜2%時，光子的堆積效應(yīng)即可忽略不計(jì)。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(shù)衰減擬合獲得的結(jié)果。從表2 可以看出，當(dāng)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(yīng)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(dāng)狹縫超過0.8 nm時，開始出現(xiàn)明顯的光子堆積效應(yīng)。當(dāng)采用一階指數(shù)衰減對其進(jìn)行擬合時，擬合度參數(shù)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(shù)衰減過程的擬合度越來越差，不能獲得準(zhǔn)確的熒光壽命，因此表中并未列出。當(dāng)采用二階指數(shù)衰減對其進(jìn)行擬合時，χ2均小于2，獲得了良好的擬合效果。但是，當(dāng)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(chǎn)生了嚴(yán)重的系統(tǒng)誤差。上述結(jié)果表明，光子的堆積效應(yīng)是引起時間分辨光譜測試誤差的重要原因，必須通過嚴(yán)格控制發(fā)射光子數(shù)與光源脈沖數(shù)的比例，才能有效降低光子堆積效應(yīng)引起的測試誤差。

表2 YAG：Ce熒光粉的一階和二階指數(shù)衰減擬合結(jié)果

3 結(jié) 語

本文采用TCSPC對YAG：Ce熒光粉的時間分辨光譜進(jìn)行了測試分析，并分析討論了TCSPC的測試原理及存在問題，獲得以下結(jié)論：

（1）未經(jīng)優(yōu)化的泵浦光源會以雜散光的形式與樣品熒光同時進(jìn)入探測器，從而對時間分辨光譜產(chǎn)生干擾，監(jiān)測波長越靠近泵浦光源，則越容易受到泵浦光源的影響。本文采用帶通濾光片校正的方法對泵浦光源光譜進(jìn)行了優(yōu)化，消除了泵浦光源作為雜散光的影響，獲得了良好的測試效果。

（2）光子的堆積效應(yīng)會導(dǎo)致測試獲得的時間分辨光譜發(fā)生扭曲，并向短壽命方向偏移。本文采用調(diào)節(jié)光譜儀狹縫大小的方法，嚴(yán)格控制檢測到的熒光光子數(shù)與光源脈沖數(shù)的比例，可有效降低光子堆積效應(yīng)引起的測試誤差。

綜上所述，雜散光干擾與堆積效應(yīng)是采用TCSPC方法測試時間分辨光譜存在的普遍問題，本文提出的優(yōu)化與改進(jìn)方法不僅適用于YAG：Ce熒光粉，同時也可推廣至其他發(fā)光材料的測試分析，從而為提高相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員的測試水平提供參考。