精密光谱科学与技术国家重点实验室 华东师范大学 上海 200241
光功率的测量是光学研究领域最重要、最常用的计量技术之一, 尤其在光通信、激光测绘等领域, 同时具有优于皮瓦量级灵敏度和大动态范围的光功率测量是用于系统测试和标定的极为关键的技术, 然而目前商售的光功率计测量灵敏度通常仅能达到纳瓦量级。本文发展了一种极限灵敏度可达稀疏光子水平的光功率测量装置, 测量系统采用硅雪崩光电二极管单光子探测器, 使用散射片和电控光阑精密控制待测信号光强度, 实现了在20fW～300W范围内的光功率测量, 功率测量的响应波长范围可以覆盖530～860nm, 测量误差小于3.7%, 重复性测量相对标准偏差小于1.9%, 能够满足微弱信号光功率测量需求。这种兼具高灵敏度和大动态范围的光功率测量方法有望解决强度微弱至稀疏光子水平的光信号计量难题。
光功率测量 稀疏光子 单光子探测 雪崩光电二极管 optical power measurement sparse photon large dynamic range avalanche photodiode 量子光学学报
2023, 29(3): 030201
华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200241
多波束单光子雷达在对地测绘和远距离成像等领域具有重要应用，而多通道计时测量技术很大程度上决定了整个系统的性能。因此，提出了一种基于时钟相移法的多通道时间数字转换并行测量方法。该方法可在单块Xilinx Artix-7系列现场可编程门阵列芯片上实现了100通道单光子信号的同时计时测量，计时分辨率可达到1.0 ns，测量精度为360 ps，量程为65 μs。基于该装置可实现稳定性高、功耗小、速度快、结构紧凑的多通道单光子回波信号的高精度测量，满足多波束单光子雷达系统的计时需求。
探测器 单光子雷达 时钟相移法 现场可编程门阵列 计时测量 激光与光电子学进展
2022, 59(2): 0204001
华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海 200062
胆红素(Bilirubin, BR)是脊椎动物分解代谢血红素的最终产物之一, 具有抗氧化和消炎等作用。 体内保持正常含量的胆红素对人类的健康起着非常重要的作用, 被认为有利于预防癌症、 中风、 糖尿病和心血管等疾病的发生［1-2］。 然而胆红素过量则被认为是肝功能障碍的征兆, 同时也是引起新生儿严重脑损伤的原因。 因此, 对人体中胆红素含量的快速精准检测具有十分重要的应用价值。 目前为止, 用于检测血清样品中胆红素含量的方法主要有重氮法、 过氧化物酶法、 光纤传感检测法和荧光光谱法等。 其中, 荧光光谱法具有检测迅速和操作简便的优势, 吸引了越来越多研究人员的关注。 但是, 由于胆红素自身的荧光量子产率通常低至10-4量级, 直接荧光测量难度很大, 因此通常采用间接方式解决胆红素含量测量的难题。 例如, Wabaidur等通过胆红素猝灭Ru(bopy)2+3荧光的方式来测量胆红素的含量; Aparna等通过胆红素猝灭铜纳米团簇荧光的方式来测量胆红素的含量; Iwatani等通过UnaG蛋白结合胆红素增强荧光的方式来测量胆红素的含量。 UnaG与胆红素具有极高的亲和力, 且自身几乎不发射荧光, 其与胆红素结合后, 会将胆红素的荧光提高三个数量级, 可以用作人体内的荧光传感器。 然而, 由于蛋白的制备和保存的成本十分高昂, 人们更希望使用有机小分子或无机分子对胆红素的荧光进行增强。 例如, Yang等发现Zn2+有助于显著增强胆红素的荧光, Kotal等提出了将Zn2+用于胆红素代谢物（尿胆素原）含量测量的方法。 为了研究Zn2+增强胆红素荧光的机理并用于胆红素含量的测量, 研究首先使用了稳态荧光光谱和紫外-可见吸收光谱表征了不同Zn2+浓度下胆红素的光学特性, 并采用相对法测量了其量子产率。 通过分析Zn2+-胆红素络合物在不同探测波长下的激发谱, 提出了该络合物具有两个发光基团的设想。 为了进一步验证关于发光基团的设想, 使用了飞秒瞬态吸收光谱的手段研究分析了Zn2+-胆红素络合物的超快光动力学过程, 分析结果与之前发表的对胆红素和Zn2+配位方式的结论有很好的吻合。 根据瞬态吸收光谱和稳态荧光光谱的数据以及所提出的模型, 得到了在有无Zn2+条件下胆红素的平均激发态寿命, 进一步计算出了其辐射跃迁速率和非辐射跃迁速率的理论值。 通过数据对比, 得出了络合物相对单纯胆红素有更大的消光系数而具有更高的辐射跃迁速率的结论, 同时发现胆红素与Zn2+的配位方式增加了胆红素以锥型交叉退激发态的效率。
锌离子 胆红素 荧光增强 飞秒瞬态吸收 Zinc ions Bilirubin Fluorescence enhancement Femtosecond transient absorption 光谱学与光谱分析
2019, 39(6): 1667
1 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海 200062
2 北京空间机电研究所, 北京 100091
硅雪崩光电二极管(Si-APD)的雪崩电压对温度极大地限制了基于Si-APD的单光子探测器在全天候野外条件下的实际应用。提出了一种可以在大环境温度变化范围内稳定工作的Si-APD单光子探测技术。通过制冷与数字偏压补偿相结合的技术, 自动补偿Si-APD的工作温度漂移, 保持稳定的雪崩增益。实验证明在-40~45 ℃的温度范围内采用该技术的单光子探测器工作稳定。实验结果表明采用温漂自动补偿的技术后, Si-APD单光子探测器具备了在温度变化较大的外场稳定运行的能力, 为机载或星载光子计数激光测量提供了高稳定性的单光子探测技术。
探测器 单光子探测器 硅雪崩光电二极管 温度控制 自动补偿 激光与光电子学进展
2017, 54(8): 080403
精密光谱科学与技术国家重点实验室, 华东师范大学, 上海 200062
由于金属离子包括铜离子对人体的重要性, 报道了一种含单个色氨酸的新型多肽分子（WDAHSS), 证明利用这种分子可以通过荧光光谱测量的方法实现铜离子灵敏检测。 WDAHSS的荧光由其包含的色氨酸残基的本征荧光贡献, 易被铜离子猝灭。 通过分析铜离子在不同pH值条件下与WDAHSS作用的荧光光谱并与单个色氨酸分子的光谱相比较, 详细研究了铜离子猝灭WDAHSS荧光的机理。 研究表明, WDAHSS结构中的组氨酸通过金属配位与铜离子作用, 并联合肽键形成稳固的四方形平面结构, 螯合铜离子, 致使色氨酸残基发生荧光猝灭。 同时详细讨论了不同pH值环境对WDAHSS荧光光谱的影响。 通过荧光光谱测量和数值拟合, 推测了WDAHSS和铜离子的结合常数。 为了增强WDAHSS抗pH干扰的能力, 特意对其氨基端乙酰化, 在生理pH值范围内稳定了其荧光发射。 此外, WDAHSS也采用了一些特殊设计的结构, 很好地增强了它对铜离子灵敏探测的特异选择性和生物相容性。 对WDAHSS的进一步研究有望用于生物体内或细胞内荧光成像检测。
荧光光谱 金属离子检测 色氨酸 多肽分子 Fluorescence spectra Metal ions detection Tryptophan Peptide molecule
Author Affiliations
Abstract
1 State Key Laboratory of Precision Spectroscopy, East China Normal University, Shanghai 200062, China
2 State Key Laboratory of Functional Materials for Informatics, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200050, China
Solar-blind ultraviolet detection is of great importance in astronomy and industrial and military applications. Here, we report enhanced solar-blind ultraviolet single-photon detection by a normal silicon avalanche photodiode (Si APD) single-photon detector with a specially designed photon-collecting device. By re-focusing the reflected photon from the Si chip surface on the detection area by the aluminum-coated hemisphere, the detection efficiency of the Si APD at 280 nm can be improved to 4.62%. This system has the potential for high-efficiency photon detection in the solar-blind ultraviolet regime with low noise.
040.1345 Avalanche photodiodes (APDs) 040.1880 Detection 040.5160 Photodetectors 040.6040 Silicon 040.7190 Ultraviolet Chinese Optics Letters
2016, 14(3): 030401
精密光谱科学与技术国家重点实验室, 华东师范大学, 上海 200062
谷胱甘肽(GSH) 是一种含有巯基的三肽分子, 参与许多细胞内生化过程, 具有抗氧化和整合解毒功能, 在生物体内以及医学, 食品等领域有着极为重要的作用。 GSH参与细胞内、 体液中的许多重要生化反应, 其在人体内含量的变化, 相应地提示了人体的健康问题。 目前对GSH的检测手段有表面增强拉曼光谱（SERS）、 电化学分析、 高效液相色谱（HPLC）等, 这些方法大都操作复杂、 耗时较长或者需要昂贵的仪器。 利用一种新型荧光银纳米团簇（Ag NCs）作为探针, 通过同时分析银纳米团簇的荧光强度变化以及荧光峰位置移动实现了GSH的高精度快速检测。 在检测过程中, GSH分子与荧光探针发生化学反应, 改变了荧光探针的光化学特性, 其荧光强度因发生猝灭而减弱, 且其荧光峰位置因配体的改变也发生移动。 通过对照组实验, 我们进一步证明了所发展的检测方法对GSH目标具有很好的特异性, 综合考察荧光强度和波长的变化数据可以很好地区分GSH以及其他结构类似的分子, 同时探针对于多种盐离子及氨基酸等不敏感, 能够很好地保证检测的准确性。 我们报导的荧光探针合成步骤简单, 过程绿色环保, GSH检测的响应速度快、 光谱波动较小、 相对误差小。 进一步的研究有望实现细胞内的GSH高精度检测及成像。
荧光光谱分析 谷胱甘肽检测 荧光探针 银纳米团簇 Fluorescence spectral analysis Glutathione detection Fluorescent probe Silver nanoclusters 光谱学与光谱分析
2016, 36(12): 3973
华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200062
为了使全光纤结构啁啾脉冲放大实现超短激光的脉冲输出，采用色散补偿光纤对种子脉冲进行了展宽，利用普通单模光纤来实现放大后脉冲的压缩。对整体激光系统进行了理论分析和实验验证，获得了420fs的超短激光脉冲，平均功率达到1.81W。并利用周期极化的铌酸锂晶体对放大激光脉冲进行倍频，将激光波长拓展到近红外的780nm附近，光谱半峰全宽达到11nm。结果表明，在全光纤结构的掺铒光纤激光系统中，可以通过改变色散光纤的插入量对脉冲展宽和压缩过程中光谱畸变进行有效的控制。这一结果对于实现高功率的全光纤超短脉冲放大系统是有帮助的。
光纤放大器 全光纤结构 啁啾脉冲放大 掺铒光纤激光器 fiber amplifier all fiber structure chirped pulse amplification Er-doped fiber laser
1 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200062
2 上海航天控制技术研究所中国航天科技集团公司红外探测技术研发中心，上海 201109
开发了一种基于双模式探测的大动态范围激光测距方法。使用基于硅雪崩光电二极管（APD）的单个探测器在线性模式与盖革模式之间切换，实现了平均光子数为1~105的大动态强度范围光信号探测。在此基础上，进行了30 m的室内线性探测模式测距和500 m的室外盖革探测模式测距实验，利用时间相关单光子计数设备记录的信号详细分析了两种模式测距的时间特性，证明了这种方法可以根据探测距离和背景环境进行探测模式切换，从而实现大动态范围激光测距。并且进一步分析了APD偏置电压的调节对测距系统测量精度以及探测背景噪声的影响。
探测器 激光测距 光子计数 双模式探测
1 中国工程物理研究院 流体物理研究所, 脉冲功率科学与技术重点实验室, 四川 绵阳 621900
2 中国科学院 上海硅酸盐研究所, 上海 200050
设计和研制了一种CaO-TiO2-Al2O3复合陶瓷平板固态脉冲形成线,以期用于介质壁加速器。该脉冲形成线的几何参数为：陶瓷介质长度300 mm,宽度15 mm,厚度1 mm；银电极长度280 mm,宽度2 mm。电性能参数为：相对介电常数约23.5,特征阻抗约26 Ω,电长度约4.5 ns,直流耐压场强大于20 kV/mm,在μs量级上升时间的脉冲电压下绝缘强度大于25 kV/mm。该固态脉冲形成线设计兼顾了光导开关的使用要求、高梯度绝缘子的设计指标、带电粒子束的输运及加速器的结构设计要求。结合GaAs光导开关,开展了固态Blumlein脉冲形成线实验研究工作,在脉冲充电电压约25 kV的条件下,固态Blumlein脉冲形成线实现脉冲电压输出约23 kV。
介质壁加速器 固态脉冲形成线 复合陶瓷 Blumlein脉冲形成线 光导开关 dielectric wall accelerator solid-state pulse forming lines composite ceramic Blumlein pulse forming lines photoconductive semiconductor switches 强激光与粒子束
2014, 26(10): 105102
