一种利用激发波长调制抑制功率波动的荧光测温装置及方法

本发明涉及光学测温与微纳尺度温度传感，尤其是涉及一种利用激发波长调制抑制功率波动的荧光测温装置及方法。

背景技术：

1、稀土离子掺杂上转换微纳材料具备多波长发射、光学稳定性佳、响应性能优异等特点，在微纳尺度测温、生物成像、微电子器件热分析等领域有着重要应用价值。微纳场景下的非接触式光学测温技术，凭借响应速度快、空间分辨率高、无需接触被测对象等优势，得到了广泛应用。但传统荧光测温方法存在测量稳定性不足、测温误差偏大等问题，往往需要搭建复杂的功率修正模型或配套多套检测系统，难以在复杂环境中快速实现精准微区测温，因此研发新型抗干扰光学测温技术具备现实意义。

2、目前主流的测温手段为荧光强度比测温法，该方法利用稀土离子（如er3+、tm3+等）热耦合能级的发射强度比值实现温度检测，比值变化可直观反映温度状态，结合标定曲线便能建立光信号与温度的对应关系，在光镊、超分辨显微等领域应用优势明显。该技术需使用高聚焦激光进行激发，当待测微纳颗粒在激光焦点内发生微小位移时，局部激发功率密度会随之改变。由于单颗粒上转换发光的荧光强度比易受激发强度影响，即便温度未发生变化，功率波动也会改变荧光比值，降低标定曲线可靠性并产生测温误差。

3、现有技术一般通过构建lir(p,t)等功率修正模型弥补误差，但此类方案对颗粒与激光焦点的相对位置要求严苛，颗粒一旦出现位置偏移，依旧无法彻底消除测温偏差。现阶段仍缺少结构简单、运行可靠的测温系统，难以从根源上有效抑制激发功率波动带来的测温干扰。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种利用激发波长调制抑制功率波动的荧光测温装置及方法，解决现有基于荧光强度比的微纳测温技术中，激发功率波动、颗粒位置偏移易导致荧光比值漂移、测温误差大，且传统依靠lir(p,t)功率修正模型补偿误差的方式依赖精准位置匹配、修正效果有限，系统结构复杂、抗干扰能力弱的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种利用激发波长调制抑制功率波动的荧光测温装置，包括激发光路、样品单元和成像、光谱采集光路和pc机；

3、激发光路由激光光源、半波片、偏振分束镜、二向色镜、显微物镜和凸透镜等光学元件构成；激光光源输出激发光，由沿激发光出射方向依次排布的准直器、半波片、偏振分束镜、凸透镜和二向色镜；激发光经准直器准直、半波片和偏振分束镜调制偏振态以及凸透镜扩束后，通过二向色镜反射进入显微物镜，实现对待测微纳颗粒的高聚焦激发。

4、样品单元由温控样品室和精密位移平台构成；温控样品室承载待测微纳颗粒，精密位移平台搭载温控样品室；激发光经显微物镜聚焦后入射至控温样品室内的待测微纳颗粒；

5、成像与光谱采集光路共用显微物镜与二向色镜，还包括滤光片、翻转反射镜、光谱仪和相机，用于采集发光信号；待测微纳颗粒受激产生的荧光信号经显微物镜收集后透过二向色镜，经滤光片滤除激光等非必要波段的光后传输至光谱仪或翻转反射镜，翻转反射镜反射过来的荧光进入相机。

6、优选的，激光光源采用飞秒激光源作为激发源，能够输出多种不同波长的激发光。

7、优选的，待测微纳颗粒为nayf4:yb3+, er3+单颗粒。

8、优选的，温控样品室用于实现样品温度的精确调节及稳定控制。

9、优选的，精密位移平台用于实现颗粒的微区定位。

10、优选的，相机和光谱仪与pc机电连接，实现发光光谱或图像采集发送至pc机。

11、优选的，pc机通过计算荧光强度比，并分析其随激发功率变化的响应关系，进一步计算功率依赖性测温参数，并筛选出最优激发条件。

12、本发明还提供了一种利用激发波长调制抑制功率波动的荧光测温方法，包括以下步骤：

13、s1、设计并搭建利用激发波长调制抑制功率波动的荧光测温装置，调节光路使装置稳定工作；

14、s2、通过调节激发光源，实现不同波长及不同功率条件下的样品激发；

15、s3、采集待测微纳颗粒在不同激发条件下的发射光谱，并提取测温信号发射峰；

16、s4、计算荧光强度比并建立其与激发功率及温度之间的关系模型作为温度标定；

17、s5、计算不同激发条件下荧光强度比对功率变化的依赖性参数，选择最优激发波长；

18、s6、在最优激发条件1020 nm下进行温度测量；

19、s7、根据温度标定输出最终温度结果。

20、因此，本发明采用上述一种利用激发波长调制抑制功率波动的荧光测温装置及方法，具有以下有益效果：

21、（1）创新调制激发波长显著提升测温稳定性：通过1020 nm激发波长设计，从原理上抑制激发功率波动对测温的干扰，测温稳定性远优于传统975 nm方案；

22、（2）适配单颗粒与扫描测温场景：在单微纳米颗粒测温与大范围扫描测温中，可显著降低激发不均、位置漂移带来的系统误差，显著提升测温准确度与结果一致性；

23、（3）实现高灵敏度与高稳定性双重优势：在抑制功率波动的同时保持高相对测温灵敏度，兼顾稳定性与灵敏度，方法简洁、通用性强，易于在光学测温系统中集成与推广。

24、下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

1.一种利用激发波长调制抑制功率波动的荧光测温装置，其特征在于，包括激发光路、样品单元和成像、光谱采集光路和pc机；

2.根据权利要求1所述的一种利用激发波长调制抑制功率波动的荧光测温装置，其特征在于，激光光源采用飞秒激光源作为激发源。

3.根据权利要求1所述的一种利用激发波长调制抑制功率波动的荧光测温装置，其特征在于，待测微纳颗粒为nayf4:yb3+, er3+单颗粒。

4.根据权利要求1所述的一种利用激发波长调制抑制功率波动的荧光测温装置，其特征在于，温控样品室用于实现样品温度的精确调节及稳定控制。

5.根据权利要求1所述的一种利用激发波长调制抑制功率波动的荧光测温装置，其特征在于，精密位移平台用于实现颗粒的微区定位。

6.根据权利要求1所述的一种利用激发波长调制抑制功率波动的荧光测温装置，其特征在于，相机和光谱仪与pc机电连接，实现发光光谱或图像采集发送至pc机。

7.根据权利要求6所述的一种利用激发波长调制抑制功率波动的荧光测温装置，其特征在于，pc机通过计算荧光强度比，并分析其随激发功率变化的响应关系，进一步计算功率依赖性测温参数，并筛选出最优激发条件。

8.一种利用激发波长调制抑制功率波动的荧光测温方法，应用于权利要求1-7任一项所述的一种利用激发波长调制抑制功率波动的荧光测温装置，其特征在于，包括以下步骤：