北京交通大学
硕士学位论文
基于一级傅立叶级数相调制法的纳秒级荧光寿命测量
姓名：祝诗扬
申请学位级别：硕士
专业：光学工程
指导教师：黄世华
20071201
中文摘要
摘要：
针对纳秒量级荧光寿命的测量，提出一种改进的相调制法，提取周期性激发信号和相应的发射波形信号傅立叶级数中的一级项，按照相位法测量荧光寿命的原理求得荧光寿命ｔ值。
据此设计测量系统，用以在硬件层面上验证改进的相位的法的有效性，为测量系统的实用化打好基础。系统主要由激发光源、光谱仪、数字示波器三部分组成。激发光源受高频周期性电信号调制，激励样品发光，用光谱仪完成波长的选择，由光电倍增管（ＰＭＴ）将光信号转换为电信号．得到激发光和发射光的光强随时间周期性变化的发光波形，利用数字示波器完成模拟信号和数字信号的转换（Ａ／Ｄ转换），最后利用ＶＢ程序进行数据处理求得Ｔ值。
本文为此设计了一种快速有效、低成本的新型激发光源，采用晶体振荡器为信号源，三极管为受控高频开关，调制发光二极管产生激发光。光源波长可以从９４０ｎｍ改变至Ｕ３８０ｎｍ（离散），可以被１０ＭＨｚ到５０ＭＨｚ的高频周期信号调制（离散）。
本文还对频率的选择、信号的传输、光电倍增管输出信号的电流／电压转换、示波器的数据采集等问题进行了分析，发现１０ＭＨｚ到５０ＭＨｚ是最佳频率范围。在此情况下，器件的选择、信号线连接方式以及系统各部分的最佳整合都对有效测量十分重要。
实例测量甲苯酚紫乙醇溶液（Ｏ．００３３ｍｏｌ／Ｌ）的Ｔ值为４．０３±Ｏ．８７ｆｉｔｓ，与德国ＰｉｃｏＱｕａｎｔ公司ＴＣＰＳＣ仪器测量结果４．２４ｎｓ相当。
关键词：荧光寿命；傅立叶级数；相调制法；发光二级管；晶体振荡器分类号：ＴＮ２４７；ＴＮ２９：ＴＨ７４４．１
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＴｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｂａｓｅｄＯｉｌｐｈａｓｅ－ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｌｉｆｅｔｉｍｅｉｓｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｔｈｅｆｉｒｓｔｈａｒｍｏｎｉｅｓｉｎ山ｅＦｏｕｒｉｅｒｓｅｒｉｅｓｏｆｂｏｔｈｔｈｅｅｘｅｉｔａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｅｍｉｓｓｉｏｎｗａｖｅｆｏＩＴＩＩ￥．Ａｓｉｍｐｌｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆ孤ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ．１ｉｔｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｅａｎｄｌｌｎｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｌｉｇｈｔＳＯＵＩ＇Ｃｅ，ｗ勰ｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏａｎｄｐｒｏｖｅｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓａｖａｉｌａｂｌｅ．Ｔｈｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ∞愀ｉｓｌｉｆｌｌｔ
ｍｏｄｕｌａｔｅｄｂｙ
Ｏｎａａｈｉ曲・ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｉｇｎａｌｏｆｆｅｒｅｄｂｙａｃｒｙｓｔａｌｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，ｗｈｉｃｈｉｓｆｏｃｕｓｅｄ
ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｌｉｇｈｔｓａｍｐｌｅ．１１ｌｅｓｐｅｅ劬ｏｆｔｈｅｅｍｉｓｓｉｏｎｌｉｇｈｔｏｆｓａｍｐｌｅａｎｄｔｈｅｍｄｅｔｅｃｔｅｄｂｙＳｐｅｅｔｌｒｏｓｅｏｐｅ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｌｉｇｈｔｓｉｇｎａｌｉｓｃｏｎｖｃｔｔｏｄｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｉｇｎａｌｂｙＰＭＴ．１１”ｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｔｈｃｅｘｃｉｔａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｅｍｉｓｓｉｏｎａ∞ｂｏｔｌｌａｎａｌｏｇｓｉｇｎａｌｓｂｕｔｃｏｎｖｅｒｔｅｄｉｎｔｏｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｓｂｙ
ｄａｔａｔｏａａｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｐｈ，ｗｈｉｃｈｌⅧｌｓｍｉｔｓｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｃａｎｄｅａｌｗｉｔｌａｔｈｅｄａｔａｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｌｉｆｅｔｉｍｅ．
Ａｔｙｐｅｏｆｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｅｄｌｉｇｈｔ
１１ｌｃｓｏｕｒｃｅｄｅｖｉｃｅｉｓｉｎｖｅｎｔｅｄａｔａａｃｃｅｐｔａｂｌｅｃｏｓｔ．ｈｉ曲一ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｖａｒｉｅｓＩＯＭＨｚｔｏ５０Ｍ１｛ｚ，越ｗｅｌｌ勰ｔｈｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｏｆｌｉｇｈｔｃｈａｎｇｅｓｆｒｏｍ９４０ｈｍｔｏ３８０ｎｔｏ．
Ｆｕｌ＇ｔｈｃｒｍｏｒｅ，ａｌｌｎｅｃｅｓｓａｒｙｄｅｔａｉｌｓｗｅ∞ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｖｅｒａｇｅ（１０－５０ＭＨｚ），ｔｈｅｓｉｇｎａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｔｈｅＩＮｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅＡ／Ｄｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｏｆＰＭＴａｎｄｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｐｈ，ｅｔｅ．
１１ｌｅｒｅｓｕｌｔｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｌｉｆｅｔｉｍｃｏｆｔｈｅｅｒｃｓｙｌｖｉｏｌｅｔｅｔｈａｎｏｌｓｏｌｕｔｉｏｎ（０．００３３ｍｏｌ／Ｌ）ｉｓａｖａｉｌａｂｌｅ（４．０３±０．８７地）．ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈ
ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ（４．２４ｎｓ）．ａｒｅｓｕｌｔｏｆａＴＣＰＳＣ
ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｌｉｆｅｔｉｍｅ；Ｆｏｕｒｉｅｒｓｅｒｉｅｓ；Ｐｈａｓｅ－ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉ∞ｍｃａｓｔｔｒｃｍｃｎｔ；Ｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ；ＣｒｙｓｔａｌｏｓｅｉＵａｔｏｒＣＩＡＳＳＮ０：ＴＮ２４７：ＴＮ２９：１１｛７４４．１
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。
（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）
学位论文作者签名：导师签名：
签字日期：年月日签字日期：月日年
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果．除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名：签字Ｅｔ期：月年日
致谢
本论文的工作是在我的导师黄世华教授的悉心指导下完成的，黄世华教授严谨的治学态度、独到的见解、科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，在人生态度的问题上也给予了谆谆教诲。在此衷心感谢三年来黄世华老师对我的关心和指导。
由芳田老师、梁春军老师在学习和科研工作上给予了我很多的关心和帮助，光信息科学与技术研究所的吴重庆老师对于我的科研工作提出了宝贵的意见。侯延冰老师、姚志刚老师，以及理学院的赵中龄老师、陈世谦老师和电信学院的钱满义老师对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此表示衷心的感谢。
在实验室工作及撰写论文期间，邓召儒、尚超、陈多佳同学对我的研究工作给予了热情的帮助，黄金昭、唐爱伟、石志刚同学对于我的科研工作提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。最后要特别感谢我的家人和朋友们，你们永远是我的骄傲！
１引言
１．１什么是荧光寿命
基态电子被激发到高能态后，会通过辐射ｓ．
跃迁或者非辐射跃迁释放能量回到基态。
在单分子模型中，跃迁速度，即高能态的
电子数量减少的速度，正比于该时刻高能态的
电子数量，得到微分方程如下：ｓ＇圈１电子的激发与跃迁
掣：一州（ｆ），口≥０ａｔ（１．１）
求其解为Ⅳ（ｆ）＝Ｎ（Ｏ）ｅ－“，令口＝ｌ／ｆ，则有＾，（ｆ）＝Ⅳ（ｏ）一７・产生的瞬时光强，（ｆ）是单位时间内产生的能量，Ｊ下比于一＾ｍｄⅣ（ｆ）／缸＝ｈａ，ａＮ（ｔ）。因此，荧光发射的荧光光强随时间变化的波形具有如下数学表达式：
ｌ（ｔ）＝，（ｏ）ｅ１“（１．２）
当ｔ２ｆ时，荧光强度衰减到初始强度的１，ｅ，这个时间，就是该荧光物种在测定条件下的荧光寿命，也称作能级寿命。仅当荧光强度按照指数规律衰减时，荧光寿命才有确切的含义【Ｉ】。
在单分子模型中，电子在高能级的停留时间ｔ可取（ｏ，ｍ）区间内的任意值，其概率密度贝ｆ）正比ｔ时刻于高能态上的电子个数：
厂（ｆ）ｚⅣ（ｆ）＝Ⅳ（ｏ）∥’
ｆ，（ｆｐ：ｌ‘１・３’
由此。可解得单电子停留时间的概率密度，（ｆ）＝二Ｐ一咖，其统计平均值为：
；＝ｆｆ（ｔ）ｔｄｔ＝ｆ÷ｅ－，／‘ｔｄｔ＝ｆ
所以ｒ值也是电子在激发态的统计平均停留时间。（１．４）
进行发光材料的研究，需要了解发光中心的跃迁性质。发光中心间的相互作用，外场对发光中心的作用，以及发光中心与材料中杂质和缺陷的相互作用等等，都可能影响发光中心的跃迁性质，因此荧光寿命的测量是研究这些相互作用的重要手段。另外，许多复杂的分子问作用过程，例如超分子体系中分子间的簇集、蛋白质高级结构的变化等，都可能反映在跃迁过程中。所以荧光寿命的测量不仅是发光材料研究，也是化学、生物等领域研究所需要的一种重要实验手段．
１．２荧光寿命测量的现有技术及工作目标
根据材料的不同，以及跃迁过程的不同，ｒ值覆盖从飞秒（ｆｓ，１０。１５ｓ）到毫秒（ｍｓ，１０．３ｓ）甚至更长的范围。微秒、毫秒级的寿命，技术上已经十分成熟。较为困难的，是纳秒、皮秒、飞秒量级的寿命测量。
针对纳秒到皮秒量级荧光寿命的测量手段：
１．时问相关单光子计数法（Ｔｉｍｅ－Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ
可以测到数十ｐｓ：
２．频闪技术（ＳｔｒｏｂｅＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ），即取样法；
３．相调制法（ＰｈａｓｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｓ），难以测到璐以上；
针对皮秒到飞秒量级荧光寿命的测量手段：
１．条纹相机法（ＳｔｒｅａｋＣａｍｅｒａｓ），最高到数百臼；
２．上转换法（ＵｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎＭｅｔｈｏｄｓ）；
允许跃迁的荧光寿命通常为ＩＩＳ量级。针对ｎｓ量级的方法，如时间相关单光子计数法．大都需要结构复杂、造价昂贵的仪器。而很多情况下我们不需要像ＴＣＳＰＣ那样全能的仪器，在方法、器件上适当的改进，就可以开发出小型化、高性价比的仪器，在一定范围和条件下达到需要的精度要求。
在我们过去的工作中，设想了一种改进的相调制法，即在相调制法的基础上，提取周期信号傅立叶级数中的一级项进行相调制法的数学处理，有效降低了测量系统的实现难度，大大减小了噪声的影响，并在软件模拟中得到了很好的效果。
作者的工作，就是要据此开发相关硬件设备，探索新测量原理的可行性，并力争仪器的实用化，使之能真正应用于发光材料的研究工作中。
该方法需要的仪器主要是荧光光谱仪和数字示波器，是实验室的常备仪器。采用ＬＥＤ作为激发光源成本也较低，并且易于调制。总体来看。该系统的开发难度小，有望在硬件上得以实现。目前，测量纳秒量级荧光寿命的仪器依赖进口，而我们组一直在做荧光寿命测量的工作，已经积累了一些经验。因此，这是一件非常有实用价值，同时具有可行性的、值得尝试的工作。Ｓｉｎｇｌｅ－ＰｈｏｔｏｎＣｏｕｎｔｉｎｇ，ＴＣＳＰＣ），
２
２基于一级傅立叶级数的相调制法
２．１相调制法测量原理
单指数衰减的相调制法原理如图２所示。用角频率为ｍ的Ｊ下弦调制激发光目力，激发被测样品。设样品的荧光寿命为ｒ，稳态下激发光觑ｆ）和样品的发射光“ｆ）可分别表示为：
Ｅ（ｆ）＊ｌ＋ｍｓｉｎ（叫），一ｌｃｍｃＩ（２．１）
（２．２），（ｆ）。ｌ＋【ｍ／（１＋１０２ｒ２）１／２】ｓ缸（耐一，），户ａｒａａａ（国ｆ）
ｆ＝ｔａｎ∥ｍ与耳ｆ）相比，，（ｆ）有相同的频率。，但相位滞后了妒。根据相调制法原理，测得两波形的相位角或调制度之比，就能得到荧光寿命ｒ值［２１，如式２．３所示。（２．３）
・＇∞０１∞∞Ⅻｍ
ＯｅｍｍⅫｍ
田２相调制法原理图
２．２激发频率的选择
相调制法的出现较早，是比较成熟的测量方法，已经应用于微秒和毫秒级的荧光寿命测量中。但在纳秒级的测量中却有许多难题，主要集中于以下三个方面：
１．缺少稳定、严格正弦的激发光源；
２．信噪比低：噪声、电磁干扰、电流信号转换效率低等原因，造成不能对光强信号进行稳定有效的测量；
３．器件响应速度不够（ＰＭｒ、示波器）。造成这些问题的原因，主要是激发频率的较高造成的。不同的时间范围的荧
光寿命需要不同的激发频率，纳秒量级荧光寿命测量需要的频率一般大于１０ＭＨｚ，从而带来了～系列的问题。
由式（２．３）可知，ｒ和相移矿的关系并非线性。激发频率太低会造成ｒｍ接近零值，从而毋也接近零，耳ｆ）和足力波形重叠在一起，极易造成误差。设ｒ＝１０ｎｓ，采用正弦波激发，重复频率ＩＫＨｚ，则ｔａｎ驴＝ｒ∞－２ⅡＸ１０～，因此毋≈２Ⅱ×１０一，相移角度仅有０．００３６。，难以准确测量。若激发频率提高为ＩＭＨｚ，则有ｔａｎ毋＝２Ⅱ×１酽，从而妒．一２丌×１０．２＝３．６。。由此可见，适当提高激发频率能显著提高系统的分辨率。
而当厂过高，会使得妒一丌１２时，ｔａｎ咖一一，斜率非常大，因此测量庐时极微小的误差都会引起ｔａｎ矿极大的改变。所以频率过高会放大原始误差，也使系统不稳定。
设相位角的读数误差为４办为保证荧光寿命的误差小于ｒ，毋应该限制在一定的范围之内：了Ａｒ＝丽Ａ＃—２Ａ一＃ｓｉｎ２＃‘￡了一忑丐面一一“
！。咖三竺。≯＜！ｆ石一戤血２Ａ＿＿ｔ１２～￡Ｊ２’（２．４“１ｕ整理后得到矿的取值范围：（２．５）。７
￡
由式２．３，可以推出。的合理取值范围，并可知ｕ的取值与ｒ成反比，待测的ｒ短，则ｕ越高。例如，若Ａ毋＝ｌ。，如果要求ｆ为５％，妒则应保持在２２。～６８。之间。如果要求准确度为ｌＯ％，毋的范围则可能扩大到１０。～８０。。对于１０／ｔｓ的寿命，相应的口范围为２．８ｋＨｚ～９０ｋＨｚ，对于ＩＯｎｓ的寿命，相应的。范围则是２．８删ｚ～９０删ｚ。而对于Ｉｎｓ的寿命，相应的ｕ范围则高达２８删ｚ～９００Ｍｔｔｚ。从我们的目的而言，选择５０删ｚ左右的激发频率是可行的。
电磁波根据其频率范围，被划分为中波、短波的波段范围，各有其应用。如表ｌ所示。可见，要进行ａｓ量级的ｒ值测量，ｍ的取值范围主要覆盖了中波和短波的频段。属于无线电应用的范围。由此，电路中屏蔽不良的导线会像天线一样将电磁波发射到空间中，同时也接受空间中的电磁波。所以干扰和噪声的问题比较严重。在此频段，普通Ｌｃ、ＲＣ振荡电路难以稳定有效的工作，从而导致缺少稳定、有效的激发光源。此外，由于ＰＭＴ只能通过５０Ｑ的电阻将电流信号转换为电压信号，转换比率太低。造成信噪比小，难以锝到有效的数据。
至于器件的响应速度问题，ＰＭＴ的璐量级的响应速度和高增益使之成为光电探测器件中优选的器件。示波器则随着电子技术的高速发展而不断出现新的高带●
宽示波器，试验室现有的ＴＤＳ５４０Ｄ带宽５００ＭＨｚ，已经基本能满足要求。
总之，相调制法在纳秒级荧光寿命测量中的瓶颈，是由较高的激发频率造成的两大问题：①缺少稳定有效的激发光源；②信号太弱，信噪比过低，提取不到有用信息。
表１电波划分频段及其应用
电波名称
超长波
长波（ＬＦ）
中波（ＭＦ）
短波（ＨＦ）波长起始点频率起始点主要用途一３呲一】加婿ｈ列车和海上无线通讯ＡＭ，“播．船舶无线通讯航空和船舶无线通讯
电视转播，ＦＭＪ“播，业余爱好者无线通
讯．无线传呼
电视传播，移动电话，车载电话Ｉ眦超短波（Ⅵ｛Ｆ）ｌｍ一一３舭一如眦铀ｍ月Ｉ易极短波（ＩＪｌ－．１Ｆ）
微波（ＳＨＦ）
毫米波（ＥＨＦ）
亚毫米波１．Ｓｅｒｅｌｆｍ一３Ｇ＆一３Ⅱ０ｌ－ｋ卫星转播，卫尼通讯，雷达短距离无线通讯（卫星）一加０６咆
２．３基于一级傅立叶级数的相调制法
针对相调制法在纳秒级灵光寿命测量中的难恿，我们组曾提出了－一种改进的相位法，可以用任意波形的周期性光耳ｆ）＝耳ｔ＋Ｔ）作为激发光测量荧光寿命。把周期为Ｔ的周期函数以ｆ）在［－Ｔ／２，Ｔ／２］Ｉ－＿展为傅立叶级数：
厶…
刖。詈＋ｒ薹＝ｌ［Ａｎ州删＋％８缸删刀
２詈‘１＋，Ｉ＝至．Ｊａｎ（２．６）ｓｉｇｎｅｔｗ＾刀
其中，％：２扛：＋《／ｋ，甲。：。ｔａｎ（＾／％）。
样品发光曲线，（ｆ）正比于激发光耳ｆ）和单指数衰减函数ｅｑ／７的卷积，
，（ｆ）《Ｊ二Ｐ—ｏ叫’，ｆＥ（ｔ＇）ｄｔ・
将（２．３）代入（２．４），整理后得到：（２．７）
其中咖。砌ｎ（”∞ｆ），是觑ｆ）和聃的ｎ次谐波问的相位差；％Ｓ７０）‘１＋，蓦％％ｇ缸，删＋甲＾一九）（２．８）
＝１／（１稚舻Ａ１勺。由此可得：
ｒ＝ｔ龃九／｛聊》＜２．９）
从理论上说，提取任何ｎ次的谐波都可以求得ｒ，但由于由于基波（ｎ．１）是谐波中信号最强的，采用基波（ｎ＝１）作为有效数据进行计算球ｔ，可以最大限度的得到有效信号，并避免噪声干扰。
该改进的相调制法带来了显而易见的好处。由于任意波形的激发光都是可行的，则大大降低了对激发光源的要求。由于不再需要受正弦调制的光源，则可以采用廉价易用的、高稳定度的晶体振荡器，作为信号源调制ＬＥＤ发光，不需要采用复杂昂贵、难以小型化的信号源。同时，一定强度内的噪声都不再成为问题，系统的抗噪能力大大提高。测量方法上的改进，将系统的实现大大向前推进了。２．４方波周期信号的激发
在周期性信号的选择上，本系统选择了方波激发。
因为晶振在高频段的方便易用，选择其作为激发信号源（参见３．２．１激发光源）。晶振可以正弦输出，也可方波输出，但同样频率和稳定度的晶振，正弦输出的价位是方波输出的十多倍。原因在于方波输出可以采用有许多成熟的数电芯片，不用做特别处理。因此本系统采用了方波信号激发。
方波激发带来一个重要问题：方波信号有着非常丰富的频率成分，可能会给后续电路带来不必要的负担。方形脉冲波由于是周期性函数，可以看作是无数带不同权重的Ｊ下弦波的叠加（傅立叶级数）。并且对于占空比为５０％的方波而言，正弦波的周期是方波的重复频率的奇数倍ｐ】。方波坟ｔ）的傅立叶级数形式如式（２．１０）所示（参见附录Ａ，§１）：
ｆｒ（ｔ）＝ｊ１＋喜去ｓｉｎ舭ｎ＝２ｍ＋ｌ，ｍｅＮ
图３所示。…ｏ）下面以５０ＭＨｚ的方波为例加以讨论。值得注意的是，一般讨论的频率指的是重复频率，而频谱中讨论的频率则是指傅立叶展开后包含的正弦波形的频率，如
由图可以看出，５０ＭＨｚ方波的高频成分是比较丰富的。在方波的重复频率（５０ＭＨｚ）的１ｌ倍处（５５０Ⅻｚ），高频成分权重小于３％，可忽略不计．
所以，如果示波器的带宽不够，就会造成方波的高频成分被滤掉，无法观察到方波尖锐的边缘。由此，如果要观察方波，那么示波器合适的带宽应该在其重复频率的１０倍以上。针对采用的５０Ｍｌ－ｌｚ方波信号．采用５００ＭＨｚ的ＴＤＳ５４０Ｄ测６
北立蛮通厶堂硒±堂位论塞基王二缓傻童吐缝熬艘担调制迭量是合适的。参见５．２．２驱动电压的测量。
０∞∞∞∞ｍ１∞
Ｔｈ镕№
Ｅ
ＯＤ
。严Ｌ～』～』口１∞Ⅲ”
Ⅻ一Ｐｒｅｑ∞ｎ”ｃｙ（Ｍ…Ｉ－ｔＺ）ｍ（Ｉ
圈３５０ｔ斛Ｚ方渡纭谱固
韭豆至蕉叁生亟±茔焦ｊ坌塞纳壁缝蕴盘查佥翘量丕统蕉篮遮让３纳秒级荧光寿命测量系统硬件设计
３．１系统的基本组成
测试系统装置简图如图５所示，主要由激发光源、光谱仪、数字示波器三部分组成。
圈４系统装置简圈
激发光源受周期性变化的电信号驱动发光，从而激励样品发光，用光谱仪完成波长的选择，由光电倍增管（ＰＭＴ）将光信号转换为电信号，得到激发光和发射光的光强随时间周期性变化的发光波形，利用数字示波器完成模拟信号和数字信号的转换（Ａ／Ｄ转挟），最后利用ＶＢ程序进行数据处理求得ｆ值。
３．２激发光源
普通的光源难以满足高频率、高稳定度的要求，需要进行特殊的调制手段。以ＪｏｂｉｎＹｖｏｎＩｎｃ．公司的Ｆｌｕｏｒｏｌｏｇｇｑ＇ａｕ－３ＬｉｆｅｔｉｍｅＳｙｓｔｅｍ为例，采用的是调制氙灯出射光的办法。利用的是晶体在电场下的泡克耳斯效应（电光效应的一种，一些晶体在纵向电场作用下会改变其各向异性性质，产生双折射效应，改变通过的光的偏振态）。将泡克耳斯盒（ＰｏｃｋｅｌｓＣｅｌｌ）置于两正交偏振片之间，就可以通过控制光的偏振态进而调制通过末极偏振片的光强大小。这样的设备可以保证激发光被１００ｋ比一３１０ＭＨｚ频率调制，并且严格正弦。但电光效应通常需要千伏左右的高压，以及晶体、电场、光路之间的良好配置，技术难度较大。
目前其他脉冲宽度处于或优于纳秒量级的光源主要有：超短脉冲激光器、受输出纳秒量级冲击信号的电路调制的发光二级管。但这些光源一来成本昂贵，二来光脉冲的停止时问比持续时间长许多，造成信号重复频率低（相调制法的调制●
频率等于信号的重复频率），并不适合应用于相调制法的测量。对毫秒量级的荧光寿命测量，可以用电机转动带孔的转盘，实现光路的通断，从而得到周期性的激发光。但这种装置受电机转速限制（通常数千转／分），难以应用于纳秒量级的测量。
发光二级管是近年蓬勃发展的新型电致发光器件，由于其具有响应速度在纳秒量级、可选波长范围宽（从红外到深紫外（２５５ｎｍ）都已商品化）、半峰宽较窄（通常１０ｒｉｍ，单色性好）、光通量普遍较高（１０ｍｌｍ～１００１ｍ）、调制手段简单等优点，成为激发光发光器件的首选。可以用周期性高频电信号对其调制发光，从而得到高频调制激发光。
而周期性高频电信号如果采用现有的商品信号源输出，一来成本昂贵，二来体积庞大。由于需要将光源放入荧光光谱仪的样品室工作，应尽可能的减小光源的体积。也可以采用传输线将信号源的信号接入样品室再调制发光二极管发光，但由于高频信号传输的特性，传输线长度超过传输信号波长的１／２０后必须考虑分布电容、电感造成的信号失真，电路设计复杂。此外，传统的ＲＣ、ＬＣ正弦振荡电路和５５５等脉冲电路高频性能欠佳，难以应用于数十兆赫兹的频率范围。如果采用单片机、ＡＲＭ、ＦＰＧＡ等手段．理论上可以实现高频的输出，并且有可以方便地调整频率的优点，但研发的硬件成本和时闯成本都很高。
因此，自行组装的激发光源由ＬＥＤ、晶体振荡器和驱动电路组成，如图４所示。
圈５激发光源潭电路圈萎一兰图６驱动信号／发光信号波形
９晶体振荡器可输出数千ｋＨｚ到１６０ＭＨｚ的方波信号，用作调制ＬＥＤ发光的信号源。本文采用５０ＭＨｚ的简式晶振，提供肛５ｖ的电压信号。ＬＥＤ光强由工作电流决定，驱动电路将晶振产生的电压信号转换为电流信号，并隔离信号源和负载，有利于晶振的稳定工作。其电路图如图５所示，输出的驱动信号波形以及ＬＥＤ的发光信号波形如图６所示．另外，为了将光源放入荧光光谱仪的样品室工作，应尽可能的减小光源的体积。由于发光二极管光谱窄（典型值１０ｒｉｍ），更换不同特征波长的发光二极管，
就可以实现本高频调制光源输出光波波长从９４０ｒｉｍ到３８０ｎｍ的改变（离散，非连续）。从发光材料样品测量而言，需要的是短波长光源。目前波长在３８０ｎｍ以下的ＬＥＤ功率太小，仅在微瓦量级，尚不能应用于荧光寿命的测。更换不同本征频率的晶振，就可以快速、低成本地实现调制频率从１０ＭＨｚ到５０ＭＨｚ的改变（离散，非连续）。
３．２．１石英晶体振荡器
石英晶体作为滤波、振荡元件，虽然其发展历史只有短短几十年，却已广泛应用在广播，通信，电子测量、航空、航天等方面。通常所说的晶振可能指晶体谐振器，也可能指晶体振荡器【３Ｈ们。
晶体谐振器通常为两个脚，是将石英晶体放于两块平行电极间。将两极间加上交变电压，当且仅当其频率与晶体的固有频率相同时，晶体发生机械谐振（共振），常用于稳定度高的高频振荡器。其外观随插脚和表贴等封装形式不同而各有差异。电路符号如图７（ａ）所示。
ＶｈＯＵｔ
［＝］＿＿－＿’＿＿＿＿＿＿一—１—［－［＝＝］●＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿——
（ｂ）
圈７量体谐振器／滤波嚣／振荡叠
此外，如果将石英晶体放置于图７（ｂ）所示的电极间．则组成～种晶体滤波器．其工作原理是：前级多种频率的混和信号中仅有与该晶体固有频率相同的才能够引起晶体谐振，而谐振后的晶体也只能给后级转换出同频率的信号，这就相当于仪把与晶体固有频率的信号选择通过滤波器，故这是一种灵敏度高、选择性强的滤波器。
晶体振荡器（ＣｒｙｓｔａｌＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ，缩写ＸＴＬＯ）通常为四脚，接好电源和地信号后就可以得到稳定度极高的振荡信号。左下角的管脚通常空置，以圆点标记．由于目前没有专用的电路符号，图７（ｃ）为其示意图。
晶体振荡器由石英振荡电路和输出电路两部分组成，振荡电路中以石英作为电介质的平行板电容器，又具有等效电感．这样晶体元件等效为一个品质因数Ｑ很高的谐振回路，其Ｑ值一般约ｌｏ．～１０６，如图９所示。一般来说，影响振荡电路稳定性的主要原因在于温度的变化。石英晶体固定频率受温度变化影响小，所以晶振是高频振荡领域里稳定性最出色的器件之一，其温度稳定度典型值为±１０ｐｐｍ／０－±５０１２，（ｐｌａｎ：ｐａｒｔｓｐｅｔ－ｍｉｌｌｉｏｎ，ｌＸｌｏ‘；频率稳定度定义：ｚｌｆｌｆ）．
输出电路的作用是对振荡获得的正弦信号进行缓冲、放大、整形。得到某种特定的输出，以便驱动负载等。其输出可以为Ｊ下弦波和方波。方波有肛５ｖ的ＴｒＬ形式，Ｏ－－１０Ｖ的ＣＭＯＳ形式，肚３．３Ｖ的ＨＣＭＯＳ形式以及输出为负电压信号的ＥＣＬ形式。另外方波输出还有占空比、上升时间、下降时『白Ｊ等参数【４】。此外，使用时还要注意输入电压的范围，以免把晶振烧坏。
晶振的分判习：
ｌ－简式晶振（ＰＸＯ，Ｐａｃｋａｇｅｄ
由晶振温度性能决定；
２．压控晶振（ＶＣＸＯ，ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ
引震荡频率，调解范围为ｋＨｚ量级；Ｘ－ｔａｌＸ－ｔａｌＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）：频率稳定性、温度性能完全Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）：用调解外电压来牵
ＯｓｃｉＵａｔｏｒ）：附加温度３．温补晶振（ＴＣＸＯ，ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ
补偿网络，可抵消晶体产生的频率．温度漂移；
４．恒温晶振（ＯＣＸＯ，ＯｖｅｎＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＸ－ｔａｌＸ－ｔａｌＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）：晶体温度总是保持
在一点上，是最稳定的类型；
５．组合晶振（ＶＣＸＯ、ｖｃｒｃｘｏ、Ｖｌ：ｏｃｘＯ）：
晶振的参数【６】：
１．标称频率；
２．工作温度范围；
３．温度变化的频率稳定度：例如±１０ｐｐｍ／０－＋５０１２，表示在规定的温区内
频率最大变化范围为２０ｐｐｍ：
４．负载变化的频率稳定度：受负载变化影响的稳定度；
５．电源电压变化的频率稳定度：受电源电压变化的稳定度，由此可见应选用
稳压性能好，温度漂移小的直流电源。常用电源电压为３．３Ｖ、５Ｖ、９Ｖ、１２Ｖ、２４Ｖ、．５．２Ｖ或．５Ｖ；
６．短期频率稳定度：
７．日老化率：晶体的工作参数随时问的变化会引起晶体振荡器的频率漂移（与
其他外部因素无关），初始加电时，老化快，随时间推移而变慢，日老化率、年老化率是衡量这一特性的参数；
８．年老化率：较日老化率更为常见；
９．控制电压；
１０．控制线性；
１１．调整误差：针对压控晶振；１２．牵引范围或牵引灵敏度：针对压控晶振；
１３．起动电流；
１４．稳态电流；
１５．相位噪声；
｜
Ｌ．等效电感，一
般很大
Ｌ
ＣｔａＯＣ．．ＣＯＺ㈣１７㈣０…Ⅲ∞１∞｝∞７’ｊＥ－∞７
ｎ０《＋∞ＯＢ∞Ｅ－●幛１∞Ｂ－∞，１．ｇ蕾ａ．＃ｆｆ／Ｃ：等效电容，一般很小白Ｒ：等效屯阻，约数欧姆到数百欧
姆；・＇５■…唯埘ｄＥＯａＥ－ＯＮ｜Ｒ
ｃＤ：晶振内部电
容的总和
＂ｉ＇ｌｍ●Ｉ●
围８昌体等效谐振电路图９昌振的零负载输出信号
本文采用的是通用的简式晶振，标称频率为５０ＭＨｚ，输出为１］儿、占空比为５００，６的方波，如图ｌＯ所示。设其稳定度为２５ｐｐｍ，则周期为２０ｎｓ＋０．５ｐｓ，误差已经小到可以忽略。从目前的实测效果来看，简式晶振的稳定度已足够。
３．２．２发光二极管的高频性能
目前ＬＥＤ从红外到深紫外（２５５ｎｍ）都已商品化，具有可选波长覆盖范围广、光谱窄、成本低、响应快的优点。同时，调制手段简单，与电光调制相比，更加灵活，易于实现。实验时，应根据样品情况选择相应波长的ＬＥＤ。本文采用的紫光ＬＥＤ峰值波长为４０８ｒｉｍ，半峰宽１３ｒｉｍ。
但是，本文采取的高频调制ＬＥＤ制
作光源的办法，涉及一难点：ＬＥＤ的调
制带宽问题。ＬＥＤ具有ＰＮ结的结构，Ｒ
Ｃ
Ｕ而ＰＮ结本身具有结电容。结电容包括
一般为ｐＦ量级的势垒电容和数十ｐＦ以
上的扩散电容。再加上有源区载流子复Ｒ：动态等效电阻Ｃ：分布电容Ｌ．分布电感Ｕ：等效电池光强应与流过Ｒ的电流大小成正比
合寿命的影响，调制带宽最高仅数十兆田１０ＬＥＤ高频等效电路
赫兹［－ｑ。其中，紫光ＬＥＤ是响应最快的ＬＥＤ。再考虑到寄生电感的存在，ＬＥＤ的高频等效电路如图ｌｌ所示。由此，过高的调制频率会使激发光没有足够的幅度变化，降低信噪比。
若将ＬＥＤ直接与晶振连接，ＬＥＤ的平均工作电流约为２０ｍＡ。这样的电流对晶振而言偏高，使得晶振发热严重，影响器件的使用寿命和稳定度．若采用通常
减小电流的办法一串接限流电阻，由于晶振内阻Ｒｇ的存在，形成ＲＣ串接的一阶电路，将明显降低ＬＥＤ两端的驱动电压的调制幅度，从而影响到光强变化的对比度，如图１３所示。同理，也无法用此办法灵活地调节ＬＥＤ的平均光强。
所以，ＬＥＤ的高频调制，在以晶振为信号源的基础上，采用额外的驱动电路调制发光。
・口－蕾ｄ■ｎｍ）一●●●
ｒ州嗍
围１２串接不同电阻后的ＬＥＤ两端压降圈１１量振零负载／接ＬＥＤ的输出信号比较
３．２．３驱动电路及驱动信号的监测
驱动电路的设计有以下几项要求：
１．信号源与功耗器件隔离：
２．可灵活调节ＬＥＤ工作电流；
３．在保证驱动频率合理的前提下应尽量提高光强变化幅度。
ＬＥＤ的调制发光已经有一些比较成熟的经验【８ｌ，主要采用信号源连接晶体管Ｂ极，以基极电压控制Ｃ极和Ｅ极蒯的开／断状态，使晶体管成为被信号源控制的高速开关，并由电源提供ＬＥＤ的主要功率的驱动方式。按照采用的三极管的种类（ＮＰＮ／ＰＮＰ），ＬＥＤ和三极管串联／并联的方式，以及ＬＥＤ串联三极管时连接Ｃ极还是Ｅ极等不同，再组合起来，有十种不同的连接方式。
实验中分别用三极管ＢＣ３２７（ＰＮＰ，２００ＭＨｚ）、ＢＣ３３７（ＮＰＮ，２００ＭＨｚ）和ＢＦＲ９０Ａ（ＮＰＮ。３Ｇ带宽。４０ｍＡ电流）进行尝试。实验结果表明，限流电阻Ｒ串接三极管后接地，ＬＥＤ连接于三极管和电源之间的电路效果最好，如表２所示．此外，带宽最高的高频三极管ＢＦＲ９０Ａ表现欠佳，不能点亮ＬＥＤ，原因未知。
频率范围则由于发光二级管的响应速度的限制，最高仅到６０ＭＨｚ。频率高于６０ＭＨｚ后，激发光的光强对比度会迅速恶化，推荐的最高频率采用５０ＭＨｚ。这样最佳激发频率范围就为１０ＭＨｚ到５０ＭＨｚ．
表２ＬＥＤ的不同驱动方案
序
号电路图特征描述
ＬＥＤ和二极管并联
接地，二极管导通
时电流经二极管接
地，关断时电流经
ＬＥＤ接地。
限流电阻Ｒ串接三
极管后接电源，
ＬＥＤ串接三极管后
接地。试验结果ｌ铭荡、；；ＬＥＤ被点亮，但两端没有出现交流电压，原因朱知。不推荐采用。２士士９
、删、刚ＰＪ＿上不能灵活调节工作电流，跟其他驱动方式相比也没有明显其它优势。不推荐采用。Ｔ３ｊ。ｊ＼、ｆ厂］厂］厂］，．限流电阻Ｒ和ＬＥＤ串接丁．三极管和电源之间，二极管另一端直接接地．Ｔｖｌ＿ＪＬ上—Ｌ一．．０００晶振输出的方波电压变为类似微分电路的脉冲输出波形。原因未知。
不推荐采用。
ＰＮＰ型管发热严重，原因未知。ＮＰＮ型管由丁是高电平有效的，所以需要较高电压驱动，光强偏弱。
ＬＥＤ两端电压有明显幅度变化。虽然由丁．分布电容、电感的存在，在原方波驱动电压上有变形，见图１４，但光强都有明显的周期性幅度变化，并且可以灵活调节电流人小。推荐采用。４５★卞卞孛字限流电阻Ｒ和ＬＥＤ串接丁二极管和地之间，二极管另一端接电源。限流电阻Ｒ串接三极管后接地．ＬＥＤ连接丁．二极管和电源之间。雌盛圈１３加入驱动电路的ＬＥＤ驱动电压
１４晶体管可以分别工作在饱和、放大、截至状态，这由ＵＢＥ和ＵＢＣ的电压决定．当它工作在饱和状态时，等效于短路，当工作在截至状态时，等效于开路．
７∥－ａ／，，＿ｖ）仰＋１１Ｒ忻分ｖ＋ＲＶ｝
当它工作在放大状态时，有关系式Ｉｃ＝ＢＩＢ，ＩＥ＝ＩＢ＋Ｉｃ＝（ＵＢＥ．ＶＢＥ）／Ｒ，由于６一般量级在数十到一百之间，忽略ＩＢ后有Ｉｃ。（ＵＢＥ—ＶＢＥ）／Ｒ。硅管的ＶＢＥ约为Ｏ．７Ｖ，最后得到Ｉｃ。（ＵＢＥ－０．７Ｖ）／Ｒ，可由此推算Ｉｃ，即ＬＥＤ的工作电流。从我们的目的来看，饱和与截至状态都是可以接受的。
下面以ＮＰＮ型管为例，分析满足驱动电路正常工作的条件。
由于紫光ＬＥＤ的截止电压高于３Ｖ，电源Ｖｃｃ为５Ｖ，所以要点亮紫光ＬＥＤ应使Ｃ极电压Ｖｃ的范围处于１．５Ｖ到０Ｖ之阃。Ｂ极直接连接晶振，其输出电压的高电平标准值为５Ｖ。但在后续电路的影响下，通常略低于该值，为４Ｖ左右。当ｖａ＝ｏｖ时，ＢＥ阃没有电流，ＬＥＤ表现出反向电势特性，ｖｃ２ｖ（ＰＵＬＥＤ＝２Ｖ，ＵＢｃ＜ｏ，三极管截止，ＬＥＤ不发光。当ＶＢ＝４Ｖ时，ＵＢＥ＞０，三极管导通，ＬＥＤ发光。
由于有Ｖｕｍ＋ＶＲ＋ＶｃｆＶｏｃ，Ｉｃ＋ＩＢ＝ＩＥ，以及Ｉ产ＢＩＢ，所以（ＶＬＥＤ＋ＶＲ）／Ｉｃ曲线和三极管的ＶＣＥ／Ｉｃ曲线的交点就是工作点，决定了此时Ｖｃ值以及Ｉｃ的大小，如图１５所示。测得ＶＣ＝Ｉ．５Ｖ，Ｕａｃ＞０，此为饱和的短路状态。
此时ＬＥＤ工作电流ｌｃ由电源提供，流过限流电阻Ｒ的电流ＩＥ＝ＩＢ＋Ｉｃ，并且由晶振提供的ＩＢ是不能忽略的，如果用公式Ｉｃｔ（ＵＢＥ＇ＶＢＯ／Ｒ估算ＬＥＤ工作电流，结果会偏大。此外，ＰＮＰ型三极管是Ｖｆ０Ｖ时导通，低电平有效，有文献指出ＰＮＰ型三极管的功率驱动性能更好。但如图１５（ｃ）所示，ＰＮＰ型的Ｂ极电流方向是指向晶振的，这可能会造成某些型号的晶振不能很好的工作。
表３ＮＰＮ／ＰＮＰ型昌体管工作状态列表
电路符号
ＮＰＮ饱和ＵＢＥ＞ｏ’
ＵＢｃ＞０放大ＵＢＥ＞Ｏ，ＵＢＣ＜０截止ＵＢＥ＜ｏ’ＵＢｃ＜０电流流向型ＪｃＢ—Ｌ
Ｅ
ＰＮＰＪｃ
型Ｂ—Ｌ
ＥＵＢＥ（０．ＵＢＣ＜０ＵＢＥ＜０，ＵＢｃ＞０ＵＢ部，Ｉ产¨ＵＢＣ＞０’０＃
，＾，．』，
，∥’Ｉｃ
／
。｜１
／／７７／
‰／｜，／ｉ／ｌ，／一』／
（－）“凶＋ＶＤ／Ｉｃ曲线
工作
Ｖｃｅ
（ｂ）ＬＥＤ工作点
田１４三极管驱动电路工作状态分析
ＬＥＤ两端的驱动电压信号要作为光信号检测时的参考信号以及示波器的触发信号，需要对其进行稳定、有效的实时监测。一般性观测可以使用示波器探头，但一来示波器高频探头售价昂贵（以泰克公司Ｐ６２３０Ａ探头为例，市价为３０００元人民币左右），一般～台示波器只配置一个探头，不能满足同时测两个以上的信号的需要。二来探头需要良好接触（参见４．３高频信号的观测），仅靠人工操作稳定性不能保证，并会在长时间的测量工作中不必要地占用人力资源。
在此情况下，采用高频信号传输所用的缓冲放大器（也称为电压跟随器），对驱动电压进行监测。缓冲放大器具有极高的输入电阻（１０ＳＭＱ量级），对原电路影响小，同时有５０Ｑ的输出电阻，与同轴电缆的特性阻抗相匹配（参见３．５高频信号的传输），能不失真地将输入端的电压信号以２：ｌ的比例传输至示波器显示。
缓冲放大器芯片的选择应注意以下几方面：
１．带宽高于５００ＭＨｚ（参见２．４方波周期信号的激发）；
２．输入输出电压范围合适（０－－－５Ｖ）；
３．电源电压范围合适。电源，尤其是高频性能好的线性电源，体积大，成
本高。如果不能和光源其他器件采用同一个电源，就会大大增加光源的
体积和成本。
基于以上考虑，选择ＭＡＸ４２０１（．３ｄＢ带宽：７８０ＭＨｚ，电源电压：±５ｖ，可单电源工作；输入电压２．７５Ｖ～－４．８Ｖ；输出电压：４－２．１Ｖ：参见附录Ｂ）。综上所述，激发光源的电路原理如图５所示，实测驱动信号和激发光信号波形如如图１５所示。需要说明的是，ＭＡＸ４２０１输出电压范围较窄，发光二级管的负引脚处电压值的峰值高于２．１Ｖ，因此将缓冲放大器输入端连接于三极管与限流电阻Ｒ之问，监测与ＬＥＤ两端之间的电压等价的限流电阻Ｒ两端之间的电压。由于受晶体管、发光二级管等的影响，跟晶振的零负载输出电压波形相比，略有不同。另外，发光信号由光电倍增管转换为电信号，再通过数字示波器进行Ａ／Ｄ转换后得到发光信号波形．因此发光信号原为负值，且强度较弱。为了方便观察，已将其转换为正值，并与驱动电压以不同坐标值显示．１６
ｊＥ峦銮亟厶堂亟±堂僮垃塞麴壁级蕴当壹佥测量丕统鲤仕途让
ＯｍＺ
Ｔｈ，∞
田１５驱动电压波形和激发光发光波形
３．３单色仪
荧光光谱仪主要由起分光作用的单色仪，以及将光信号转换为电信号的光电倍增管组成。实验室所用的ＪｏｂｉｎＹｖｏｎＦＬ３还包括了单色仪电机和狭缝的控制模块，和对光电倍增管输出的电流信号作积分、Ａ／Ｄ转换等处理的电路模块。
单色仪原理：从狭缝Ｓｌ入射近来的光（一般情况下都是含有多种波长的复合光）经过凹面镜ＭＩ变为平行光，再经过光栅Ｇ衍射色散之后，各个波长的光会被分开。经过凹面镜Ｍ２和平面镜Ｍ３的再次反射，从狭缝Ｓ２射出。其中的Ｃ为一块遮光板，防止来回折射的光路相互干扰，如图１７所示。这样，调整光栅Ｇ的角度，就能使得每一次只有一个特定的波长范围的光能够从狭缝ｓ２出射，因此不断调整光栅的角度就可以对复合光的整个波段进行扫描。此外，狭缝Ｓ２的宽窄程度决定了分辨率的高低。
田１６单色仪原理圈田１７正弦机构原理图
正弦机构是单色仪中控制光栅转动角度的机构。光栅转角和波长之间并不是线性关系，而光栅转角的正弦值和波长的变化是成正比的．利用正弦杠杆机构就１７
可以做到光栅转动时，出射光的波长按线性规律变化。如图１８所示，传动机构由以下几部分组成：螺纹柱Ａ，其与单色仪外壳平行安装；嵌套于螺纹柱Ａ之外的滑块Ｂ，其内壁有与Ａ匹配的螺纹：光栅Ｇ；连接光栅与滑块的长杆Ｌ，一端与光栅垂直地紧密相连，一端与滑块相连但能旋转。光栅的中垂线与水平线的夹角为ｎ，光栅中点与滑块的垂直距离为ｘ，则有ｓｉｎａ＝）（，Ｌ。这样，波长的选择等价于了光栅角度正弦值的选择，由于Ｌ长度固定（角度小的情况下可以忽略Ｌ的变化，大角度情况可以通过软件修正），从而等价于对ｘ的选择。螺纹柱Ａ一端连接电机，电动机带动位置固定的Ａ转动，迫使Ｂ沿Ａ上下移动，从而可以通过Ａ的旋转的方向和角度大小控制ｘ的值。最后，波长的选择就转换为了电机转动角度的选择。３．４光电倍增管
光电倍增管（ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｔｕｂｅ，ＰＭＴ）是将光信号转换为电信号的器件，具有极高的灵敏度，并且时问响应在璐量级。原理如图１９所示。其中，Ｋ为光阴极，Ｐ为阳极，ＤＹＩ～ＤＹ９为倍增电极，ＲＩ～Ｒ９为分压电阻，ＲＬ为将电流转换为电压信号的负载电阻。当光照射光阴极，光子能量＾ｐ大于光阴极的功函数时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子进入倍增系统，通过多极倍增电极的多次二次发射得到倍增放大。放大后的电子被阳极收集作为信号输出。信号输出端（阳极）一般通过负载电阻ＲＬ接地，将电流信号转换为电压信号，再通过示波器等仪器检测该信号。
≮ｌ餍俏俅ｉ
光信号ｊＫＰｊ＼ｌ＼Ｉ避幺
Ｒ２Ｒ３／＼／ｉ。≮Ｒ４Ｒ５．么髟—～＊一Ｒ９信号自出。。＼：：～，ＤＹ９‘Ｒ１
ｏ”￣＿—Ｖ¨ｏ”￣＿ｏＶ¨—～¨～…～乒０：
＠①②＠④⑤
接负高压
圈１８光电倍增警原理田⑦⑧＠接地
图１９所示的为端窗型ＰＭＴ．目前实验室采用的Ｈ锄锄ａｔｓＩＩ和Ｒ１０５都是侧窗型ＰＭＴ（参见附录Ｄ）．其特点为环形聚焦，体积小，成本低，但不像端窗型可１８
以有均匀的大面积光阴极。
ＰＭＴ有多种参数，其中静态参数主要有：光谱响应函数，窗材料种类，光照灵敏度，电流增益，阳极暗电流，温度特性等。动态参数主要有：滞后特性，电子渡越时间、阳极脉冲上升时间、电子渡越时间分散性等。
本课题的主要问题，在与高速变化的光强信号的转换和传输。ＰＭＴ的时间响应特性相对而言更加重要。电子渡越时间：脉冲入射光信号（脉冲宽度低于５０ｎｓ）入射到光阴极的时刻，与阳极输出脉冲幅度达到峰值的时刻两者之间的时间差异。阳极脉冲上升时间：全部光阴极被脉冲光信号（脉冲宽度低于５０ｎｓ）照射时，阳极输出幅度从峰值的１００，６到９００所需的时间。对于不同的脉冲入射光信号，电子渡越时间会有一些起伏。这种起伏就叫做电子渡越时间分散（ＴＴＳ）．这可能会是测量误差的来源之一，参见５．２误差来源分析。
光电倍增管（ＰＭＴ）从电路的角度来说，是一
个电流大小受控于光强的受控电流源，如图２０所
示。其输出的电流ＩｏＬｒｒ指向为ＰＭＴ提供负高压的
电压源的负极。高压电源正极接地，阳极通过ＲＬ
接地，从而形成完整的回路。田１９ＦｌＩＴ信号输出电路模型
ＰＭＴ产生的携带光强信息的，是流向地电位的电子流，也就是指向负高压端的电流。有的仪器采用专门的电流放大、电流／电压转换、Ａ／Ｄ转换电路进行检测，如ＪｏｂｉｎＹｖｏｎＦＬ３光谱仪。但ＦＬ３的电路模块不能实时测量和Ａ／Ｄ转换，所以采用数字示波器进行信号的检测和Ａ／Ｄ转换，最终得到光强和时问的关系曲线。数字示波器是试验室常用仪器，并且已经发展得十分成熟，功能强大、性能可靠。但ＰＭＴ和示波器需要信号传输线相连接，这就涉及到一个重要的问题——高频信号的传输问题。
３．５高频信号的传输
电信号的传输，按照器件尺寸和传输信号的波长之比分为集总模型，分布模型和全波模型。通常情况下，由于信号频率低，波长跟器件尺寸相比很小，采用的是集总模型。频率升高时，应采用分布模型。当频率进一步升高，就应采用全波模型，用Ｍａｘｗｅｌｌ方程分析来磁场和电场。根据本课题涉及的频率范围，应采用分布模型分析【９Ｈｌｌ】。下面进行详细讨论。
电磁场以光的速度在传输线中传播，波长为五＝ｖ／ｆ，ｆ是交流电的频率。１９
如果一个实际电路的外形尺寸和波长相比非常小（假设频率为２０ｋＨｚ，那么波长就为１５ｋｉｎ，和普通电路相比之下是非常大的），电磁波沿电路传播的时『白Ｊ几乎为０，这样就可以认为：ｌ、流入二端元件的一个段子的电流一定等于从另一端子流出的电流；２、两个端子之间的电压为单值量。满足上述两个条件的元件被称为“集总元件”。一般我们讨论的电容、电阻、电感，
甚至导线都是集总元件。而当电路尺寸与工
作波长接近时，就不能再用集总电路的概念，
而要采用分布（参数）元件的模型。这样的
情况下要借助对辐射源的Ｍａｘｗｅｌｌ方程研究
它的性能。Ｘ
常见的传输线有平行板传输线、平行双田２０理想的传输线
线、同轴电缆等。它们都采用“双线”结构，
并且双线的轴线间距离ｄ比传输的电磁波的波长短得多，即ｄ＜ｎ，否则传输线就会像天线一样向外辐射能量，电流电压这样的物理概念都会失去意义。
理想的传输线应该是无损耗均匀传输线，它要满足如下条件：导体材料、横截面形状和尺寸、相对位置及周围介质沿线都无变化（均匀），并且导体是理想导体，线『白Ｊ介质是理想介质（无损耗），并且该传输线的轴向轴向长度Ｌ可与波长九相比拟。如图２ｌ所示，两根平行理想导体构成的均匀传输线沿Ｚ轴放置，通有轴向电流，在该条件下建立关于磁场Ａ（矢量）和电场巾（标量）的麦克斯韦方程组描述传输线周围的电磁场。求解后可以得到用积分量ｕ和Ｉ表示的无损耗均匀传输线方程，又称为电报方程Ｉｓｌ。
瑟
电报方程反映了沿线电压电流的变化规律：传输系统的电压与电场、电流与磁场是相互联系的，可以不必论及电场、磁场，而把电路中电压、电流、阻抗等概念引入传输线问题，得到传输线的电路模型，如图２２所示．
１（ｚ．０Ｉ（ｚ＋ａｚ，ｔ）
圈２１长度为△ｚ的双寻体均匀传输线电路模銎
将基尔霍夫定律应用到这个电路的回路和节点，就可以得到如上的电报方程
¨Ｊ。所以，从电路的观点来看，传输线电路又称为分布参数电路。这从物理角度来看也是可以理解的：只要传输线中有电流通过，根据右手定则，就会建立磁场，所以具有电感效应ｔ而空『白Ｊ两点之间，只要有电势差的存在就会有电容效应。所以可以把传输线抽象为每单位长度上具有电感厶和电容ｃ０的模型［９１。
由于电感和电容是存储能量的元件，所以无损耗均匀传输线本身不会消耗能量，沿ｚ方向流动的功率的增量是储存在每单位长度传输线上的电场能量和磁场能量之和的减少率。再进一步根据电报方程求出传输线上的电压、电流表达式，可以得到无损均匀传输线的波动方程。
呈咄ｃｏ爹警蝴笋
其通解为：Ｂ：，。‘’
【厂（毛ｒ）＝ｃ，＋（ｆ一詈，＋ｕ一（ｒ＋詈），，（ｚ，ｒ）＝ｒ（ｆ一詈，＋，一（ｒ＋吾）
结构所决定的。ｃ，．，）其中，电压和电流之间满足如下关系：Ｕ＋／Ｉ＋＝Ｚｏ和Ｖ一／Ｉ一＝－－Ｚｏ。ｚｏ＝＆－－瓦ｏ，它反映了传输线中电压和电流的关系，被称为特性阻抗，它是由传输线的材料和
从波动方程的通解来看，电流、电压在传输线中的传播规律和无限大理想介质中传播的均匀平面电磁波，有许多相似之处。入射波Ｕ＋（ｆ一叫ｖ）和反射波Ｕ—Ｏ＋∥ｖ）可以在传输线中同时存在，分别向＋ｚ和．Ｚ方向传播。也就是说，电流电压会在传输线中以波动的形式传播。如果传输的是正弦信号，以电流为标准（光电倍增管是电流源），波动方程的通解可以进一步整理为如下形式：
肚）＝ｊ＋ｅ－ＪＰ＂＋ｉ一扩
条件，另外∥＝ｍ√厶ｃｏ，称为相位常数．＼Ｄｔｚ、＝ｚｎｉ＋ｆｉ却一ｚｎｉ—ｅＩ出。“ＪⅢ、其中，和ｊ一分别是入射和反射的电流波的复振幅，大小取决于始端和终端的
可以回想一下波动光学的波动方程，它们是非常类似的。在起始端的“源”的波动通过介质传播出去，介质中的波动和源的波动就产生了时间差，或者说相位差。其大小和波动的传播速度以及和源的距离有关．所以，“源”上的波动大小往往是时间ｔ的函数。而介质上任意一点的波动大小，就不仅和时间ｔ有关，并且和与源的距离ｚ有关，是含有两个参数ｔ和ｚ的函数。上述公式正反映了这一点。电流源或电压源产生的是入射波，但入射波沿线传输时遇到不均匀处，就会
发生反射和透射。这从物理意义上看是不难理解的。所以当传输线终端的负载的电阻值和传输线的特性阻抗乙相等时，电流源或电压源产生的功率会全部被负载消耗掉，并且不会引起反射。如果存在差异，就会引起反射波的存在，形成驻波，并且把电流源或电压源作为负载来消耗这部分能量。从而加重电流源或电压源的负担，引起信号的畸变。这些都是不希望看到的。
示波器和ＰＭＴ都采用了ＢＮＣ作为信号传输的接口，ＢＮＣ是同轴电缆的多种接口之一，应用十分广泛。目前，同轴电缆的特性阻抗有两种，一种是无线电系统采用的５０Ｑ，一种是视频信号传输采用的７５Ｑ。
总而言之，高频信号传输的关键，在于负载电阻阻抗必须与传输线特性阻抗相匹配，即相等。若使用５０Ｑ的同轴电缆，负载就应该为５０Ｑ。并且不带感抗和容抗成分。同时，信号源的内阻最好也
为５０Ｑ。这是因为限于工艺水平，同轴
电缆和负载并不一定精确为５０ｆｌ，反射
波的产生是难以避免的。采用５００的信
号源内阻，可以吸收从负载端反射回来
的反射波，避免其来回反射形成驻波，
影响信号源本身的工作和信号的传输。
了解阻抗不匹配时会产生的情况，Ｊ▲Ｖ厂］厂］厂］Ｉ广］．图２２有反射波的方波信号传播ＴｆＴ
对实验中常常出现的一些“奇怪”现象作出快速判断非常重要。在方波信号传输中，出现反射波后，会使原方波信号出现阶梯状的变形ｆ１０】，如图２３所示。作者曾在实验中观察到了该现象。在非方波信号的传输时，会出现类似的失真。图２４为不同连接方式下，示波器探测同等条件下ＰＭＴ输出信号的不同结果。翔芝二童型！。
３么＝始！．
（ａ）一｛～＼／／一、、、／—、、．．ｚ：ｆ弋ｖ，＞一：。夕一弋。。兰ｊ（ｂ）
圈２３Ｐｌｆｌ＂与示渡叠不同连接方式的测量结果２２
表４Ｐｉｌｌ＂与示波器不同连接方式的说明
信
号
Ｉ作为参考信号的ＬＥＤ驱动电压。Ｒ为示波器前端输入电阻，ＲＬ为ＰＭＴ负载电阻
信
号
２
信
号
３Ｉｌ引√韵￡｛。ｕ电ｒ呈ｊ。Ｒ设置为５０Ｑ，ＲＬ也为５０Ｑ。这样为匹配程度最高的电流信号传输，失真最小，但信号强度减中。Ｒ设置为５０Ｑ，不设凡．，这样Ｒ成为了负载电阻，相当丁二ＰＭ＇ｒ输出电流通过同轴电缆传输后，在Ｒ处Ｉ／Ｖ转换。ＰＭＴ内阻很高．故匹配程度处于中
等水平，一般性失真。
凡设置为５００，不设Ｒ，相
当丁ＰＭＴ输出电流在ＲＬ处
Ｉ／Ｖ转换后，电压信号通过同
轴电缆传输后，由输入电阻高
达ＩＭ的示波器探测，故匹配
程度最筹，火真最明显，参考
图２４（ｂ）。信号４叶斟ｒ￥一≮ｎＡ厂、Ａ粝波墨
由此可见，示波器前端输入电阻Ｒ和ＰＭＴ负载电阻ＲＬ的设置会明显影响到测量结果。但这样的失真对结果的影响程度无知。在信号强度足够的情况下，应尽量采用匹配程度最高的方案。
此外，测量脉冲信号的时候，可以不受高频测量的限制，负载电阻ＲＬ可以设置得较５０Ｑ高。但过高的负载电阻容易造成两个问题：一是ＰＭＴ阳极电压会因此被降低，如果不能满足远大于跟末极倍增电极电压的条件，将明显影响ＰＭＴ的线性工作；二是示波器具有ｐＦ量级的输入电容，会和输入电阻一起形成一阶电路，对电流源具有积分效应，因此较高的负载电阻会明显降低示波器的响应速度．
４高频信号特性
４．１高频电压信号的观测
随时了解电路各点的电压情况，对实验起着至关重要的作用。不能“看到”正确的波形，就不能对试验情况作出Ｊ下确的判断、对实验结果作出正确的预测。这样的工作一般由示波器完成，而高频信号测量，对示波器探头提出了特殊的要求。探头的地线必须短，并且要基本平行于探针¨２１。否则过长的地线与待测点构成类似环形天线的干扰路径，看到的信号将是真实信号和振荡信号的叠加。
实验室现有的和示波器ＴＤＳ５４０Ｄ配套的探头为Ｐ６１３９Ａ，其地线较长，不适合高频信号的探测。对现有进行探头改装，取下探针外的绝缘保护外壳，将地信号直接接入金属屏蔽层，缩短地线针。对长地线（ＬｏｎｇＬｉｎｅ，采用自带地线）、短地线（ＳｈｏｒｔＬｉｎｅ，金属屏蔽层）和同轴电缆直接接入示波器（ＣｏａｘｉａｌＣａｂｌｅ）的情况，分别测量晶振零负载输出信号和ＬＥＤ（４５７ｎｍ）两端的驱动电压，进行比较。其中同轴电缆直接测量的结果最接近真实曲线，但由于示波器只能接５０Ｑ的输入电阻，过低的负载影响了晶振的正常工作，测到的电压几乎减小了三分之一。
．１０４Ｏ５＇Ｏ．２ｅ毋．ｒｅｍ●Ｏ●（ａ）昌振零负载输出信号（ｂ）ＬＥＤ驱动电压
图２４长地线、短地线及同轴电缆的测试结果对比
由此可以看出，地线的长短对测量结果的影响是很大的。不同的晶振模块，内部构造不同，测试的情况也有些微的差别．总的说来，要尽量缩短地线，避免白激震荡的产生．
４．２高频电路的布线
几乎所有讲高频电路布线（高于ＩＯＭＨｚ）的资料都强调以下３点【１４】：
１．走线应粗短、尽量走直线
导线的电阻指的是在直流状态下导线对电流呈现的阻抗，而阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗，这个阻抗主要是由导线的电感引起的。任何导线都有电感，其感抗为）（】ｊ２ⅡｆＬ，与导线长度和频率成正比。频率较高时，导线的阻抗将远大于直流电阻。这样，导线就不能单纯的视为不带压降的连接线，而要视作带一定阻抗、会产生压降的元件。所以应该尽量缩短走线，并采用没有引脚的贴片元件为宜。增加导线截面积可以降低阻抗，因此高频线路走线应尽量粗、短。
此外。当走线出现宽窄改变、与地线距离改变、拐弯等不均匀、出现尖锐棱角等情况，就会改变走线阻抗值，可能引起发射、反射、电磁干扰等问题。所以，高频走线应该尽量走直线，必须拐弯时采用钝角、避免锐角，用平滑的圆角图案代替尖锐的棱角图案。为了降低阻抗值，还可以用焊岛代替焊盘。
２．保证良好接地
在现代接地概念中，对于系统设计师来说，它常常是机柜或机架；对电气工程师来说，它是指安全地线或接到大地；对于线路工程师来说，“地”是指“线路电压的参考点”。“接地”的一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”。注意“低阻抗”和“通路”两点。
接地技术最初是为了防止电力电子设备遭雷击而采取的保护性措施，同时也是保护人身安全的一种有效手段，防止当某种原因引起的相线（如电线绝缘不良，线路老化等）和设备外壳碰触时对人生安全产生威胁。随着电子通信和其它数字领域的发展，大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准‘地’作为信号的参考地。随着电子设备的复杂化，信号频率越来越高，信号之间的互扰等电磁兼容问题越来越重要。因此，高频线路中必须保证良好接地。否则，接地不当会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。
在低频电路中常采用一点接地，使各接地点成为回电位。在高频电路中，则由于第１点所言的导线的电感效应，应尽量将接地线的高频阻抗值降低，并且保证各元件的接地点处于同样的电位。所以通常使用大面积接地方式，如图所示。此种大面积接地对于低频电路而言，相当于在接地的各处形成回路，较容易产生电磁感应。但对于高频电路而言，则由于接地面积愈广，电感量成分愈小，电路的各接地点较易成为高频率之同电位。
此外，信号线，尤其是重要的信号线，应靠近地信号层（多层板而言），或者旁边应有并行的一两条地线，或者被地信号图案包围。这是因为高速线附近有连
续的地平面，走线的阻抗就能保持连续，如果地参考发生变化，阻抗也会发生变化，不连续的阻抗会影响到信号的完整性ｌｌ“。
３．防止电磁干扰
信号频率越高、波长越短，就越容易成为电磁波发射到空中。对于几十Ｍ］＇ＩＺ上的信号，大多应采用铜片或镀锡铁片将电路全体隔离，以防止电路内部和外部高频的耦合。在同一电路内，如有必要也需采用隔离手段防止电路内部的耦合。另外，可以在电源供给线上串连电感或磁环，并可加入去耦电容，防止高频干扰经电源线耦合。对于运算放大器等灵敏度很高的元件而言，去耦电容更是保证运放正常工作的、必不可少的元件。
但也有资料指出，在ＧＨｚ以下的情况，走线成锐角等情况的影响并不十分显著。虽然以上要点对本文涉及的频率范围影响程度未知，但还是应该尽量做到，减少返工。
４．３高频小信号的示波器检测
示波器要将一定量级范围（通常数十ｍＶ到几百Ｖ）的信号在同一个监视器中显示出来，就涉及到对信号的放大和衰减。对小信号而言，示波器的输入端是前置信号放大电路。
放大电路是一种弱电系统，具有很高的灵敏度，很容易接受电路内部一些无规则信号（噪声）的影响。如果这些噪声大小可以与有用信号相比拟，那么在放大电路的输出端，有用信号将被淹没．或者有用信号与噪声干扰难以分辨。
放大电路的噪声是各元件内部载流子的不规则运动造成的。主要有电路中的电阻热噪声和晶体管内部噪声。晶体管内部噪声除了体电阻热噪声之外，还有散弹噪声、分配噪声和ｌ／ｆ噪声。放大电路是由二级管、三极管和电阻器等元器件组成，因此是不可避免地会产生前述噪声，以及其它类型的噪声，同时还会放大输入端的噪声。避免噪声干扰的主要办法：采用低噪声元件、优化电路设计、注意布线封装等工艺水平、采用平均采样法采集数据掣”】。
本课题中由于采用了取数据一级傅立叶级数的方法，从原理上有效的减少了噪声对测量的干扰。噪声与激发光是不相干的，而提取的数据的一级傅立叶级数和激发光有相同的频率和基波分量，因此可以大大降低噪声的影响。如图２７所示，测量的原始数据为真实曲线和噪声的叠加，提取一级傅立叶级数后成为了没有其余频率噪声干扰的、光滑的正弦曲线，可以方便的提取相位差多值。
，、、ｃ口卫ｐⅢ一‘ＥｍｉｓｉｏｎａｎｄｉｔｓＩｓ沁；
ｎｍｅ，ｎｓ司㈣眦叭、一器一Ｅ山寸ｍ．ｏＤ吆●．ｏｍ咖
田２５激发光／发射光波形及其一级傅立叶级数
但放大电路还有一大问题：自激振荡。这意味着，输入端没有输入也会产生输出波形，或者产生和输入端信号无关的波形。这是因为放大电路通常采用负反馈网络来达到所需的电路特性。随着频率的增加，放大电路增益下降，同时附加的相移加大。如果在某一频率下，附加相移增加到１８０。，那么原来的负反馈将变为正反馈，如果反馈量足够大，就可能产生自激振荡，此时ＶＯＵＴ与Ｖ吖无关。
设放大电路的开环频率特性为＾渺。），反馈系数为彤。），它们和频率以及电路设计、器件的选择都有关系。当邱ｕ＞彤。户．１时，电路增益会无穷大，这意味着Ｖ州＝ｏ时，、，ｏＵＴ—ｍ，必然产生自激振荡，变成振荡器。越接近该条件，就越容易起振、越不稳定。放大电路的稳定性问题，是放大电路设计的一个重难点。图２８为Ｕ砸。）Ｉ和ＩＩ／Ｆｑｕ）ｌ的波特图。从波特图来看，它们的交点处的斜率差大于２０ｒｉｂ／ｄｅｃ就会起振（２０ｄｂ／ｄｅｅ，即（‘）每增加十倍，Ｋｑ∞耀升２０ｄｂ）。所以放大器的稳定性改进就是引入新的极点、零点，修改柳ｍ）和，Ｖｍ）的特性曲线的形状【１６１。
图２６放大电路开环增益和反馈系数波特图
在实验中发现，信号过低的情况下，示波器观察高频信号极容易振荡。在没有信号输入的情况下，示波器没有输出，所以该现象应该与信号的反馈相关．文献【１７】针对运算放大器的互阻抗放大电路应用的振荡问题，指出噪声增益决定了电路的稳定性。虽然作者认为文献【１７】的分析缺少说服力，但在实验中发现，信号强
度较高的时候（信噪比高），振荡现象不容易出现，所以该现象的确应该与噪声有关。
由此可以推测．为了避免振荡，一来要提高信号强度，降低噪声，二来要选用灵敏度高、带宽高的示波器。灵敏度高意味着放大信号的能力更强，能测量更小的信号，对信噪比的要求更低。信号放大电路的放大能力，对直流信号最强，并随着信号频率的增加而衰减。根据不同的评判标准，衰减到某一个程度时的频率点，就被称为某种带宽。其不同的定义方法在此不详细讨论。带宽更高的示波器可以保证对频率更高的信号有足够的放大能力，在高频信号的检测中自然更胜一筹。从实验情况看，示波器ＴＤＳ５４０Ｄ（Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ：５００ＭＨｚ，ＭⅣＶｅｒｉｃａｉＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ：ｌｍＶ／ｄｉｖ）的确比示波器ＴＤＳｌ０１２（Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ：１００ＭＨｚ，ＭＩＮＶｅｒｉｅａｌＳｏｎｓｉｔｉｖｉｔｙ：２ｍＶ／ｄｉｖ）更容易得到稳定的有效信号。
可以说，测量成功的关键，就在于示波器能观察到有效的发光信号。由于对样品进行测量时，样品有可能发光强度较弱，或者发光较分散，或者照射角度不合适，就会造成进入单色仪的光强度不够，从而ＰＭＴ输出的电流信号强度明显减弱。而激发光则由于往往发光较强，方向性也较好，几乎不存在信号弱的问题。
由于发光信号的起伏是跟随于激发光的起伏的，激发光的起伏又和驱动电压同步。所以发光信号和驱动电压在时问上是相关的。示波器采用了驱动电压作为触发信号，那么在采样模式下，观察到的信号如果有效，那么它一定与驱动电压在时间上相关，从而能在示波器上观察到在时问轴上（Ｘ轴）稳定的信号。否则，即使平均模式下能得到稳定信号，也是无效的、振荡影响后的结果，据此求出的荧光寿命可能十分的离散，甚至出现负值。所以，示波器要在采样模式下观察到稳定的信号，特别是在时间轴上稳定的信号，才能算是有效信号。
５应用实例
５．１甲酚紫乙醇溶液的测量
选取甲酚紫为样品，Ｅｘｃｉｔｏｎ公司出品，产品名称ＣＲＥＳＹＬＶＩＯＬＥＴ６７０，为紫黑色粉末。将其配制为摩尔浓度为３．３Ｘ１０。ｍｏｌ／Ｌ的乙醇溶液，呈紫红色。在峰值波长４０８ｎｍ，半峰宽１３ｎｍ的ＬＥＤ照射下呈鲜艳的红色，其激发光谱如图２９和３０所示，选取６７０ｎｍ作为峰值波长进行荧光寿命测量。ⅫｍⅧ
Ｗａｖｅｌ劬帅／ｎｍｍ
图２７ＬＥＤ发光光谱
§１”
卜
＿＿Ｗ酬ｅｎｌｌｌｈ／ｎｍ口Ｍｍ＿
图２８ＬＥＤ／甲酚紫乙醇溶液激发光谱
系统采用ＴＥＫ示波器ＴＤＳ５４０Ｄ以及ＪｏｂｉｎＹｖｏｎ荧光光谱仪ＦＬ３。激发光测量时，单色仪出射狭缝宽采用Ｏ．８ｎｍ。由于ＬＥＤ亮度较强，其聚酯封装还有聚光效果，选择正确角度入射，可以使大部分光进入入射狭缝，在采样模式下也可以
探测到清晰、稳定的激发光信号，如图２９所示。
侣
一
一协＂
，、ｏＪ－ｋ
一
一
一１０ｏ仰舢”ｍ品”１”
圈２９激发、发射光波形及昌振０＜１１＿ｏ）信号
发射光由于比较分散，比色皿不具备聚光作用，进入单色仪的光较激发光而言要少得多，信号强度明显减弱。因此，开大单色仪出射狭缝为１０ｒｉｍ，并在选取最佳照射角度后，保证比色皿、光源的位置的严格固定。在采样模式下得到有效信号后，采用平均模式减小噪声干扰，取平均１２８次。重复５次测量，求得ｔ值为４．０３ｉ－０．８７璐，如图３０所示。与德国ＰｉｃｏＱｕａｎｔ公司ＴＣＰＳＣ仪器（ＦｌｕｏＴｉｍｅｌ００）测量结果４．２４ｎｓ相当。
Ｙｉｎｍ，＿
５ｎｏ∞”
田∞单次测量示倒
５．２误差来源分析
进一步分析，测量结果４．０３ｉ－０．８７岫，虽然平均值与ＦｌｕｏＴｉｍｅｌ００测量结果相当，但相对误差高达２１％。这说明仪器离实用化还有一段距离，还有很大的改进
空间。下面对各可能影响试验结果稳定性、可靠性的误差来源进行分析：
１。注意观察图２８，样品发光信号和激发光信号相比，强度很弱。对发光信
号进行稳定有效的测量对实验结果影响很大，从多次测量的实验情况来看，应该是目前最应该优先解决的问题。
２．光电倍增管、电路系统的各种噪声，由于测量方法的改进，该因素的影响
理论上可以忽略。
３．ＰＭＴ阳极脉冲上升时间典型值为２．２ｎｓ，该效应会将输入的冲击信号展宽
为上升下降时间为４．４ｎｓ的、带宽度的脉冲信号。进一步考虑到，示波器ＴＤＳ５４０Ｄ输入电容为ｌＯｐＦ，与负载电阻５００形成的ＲＣ积分电路，时间常数约为０．５ａｓ。对输入的冲击信号而言，会有指数函数形式的延迟输出。考虑到这两方面因素，如果输入为单光子的情况，示波器最终探测到的是带一定展宽的脉冲信号，它是ＰＭＴ输出信号与示波器延迟效应的卷积，
其上升下降时间约为４．４ｎｓ＋０．５ｈａ×３＝５．９ｍ。因此该方法至少能测６ｎｓ或更慢的过程。
快于该速度的ｔ测量，受这两者影响的程度未知。但由于采用的是相调制法，上述效应对激发光和样品发光同时存在，求二者的相位差，一定程度上消除了上述效应的影响。对于周期信号而言，上述效应相当于一个低通滤波系统，会减弱有效信号的强度才是它带来误差的原因。
６结论
１．本毕业设计为基于一级傅立叶级数的相调制法开发了测量荧光寿命的相关硬件，对系统各部分针对特定的应用需要，进行了详细的分析，使系统整合到最佳水平，并从硬件层面证明了该办法的有效性。
２．利用该测量原理进行测量的瓶颈问题：
①高稳定性高频调制光源；
②高频电流小信号的观测。
而对系统其它各部分详细分析，整合到最佳水平也很重要，否则很难达到测量要求。需要注意的问题如下：
＜１）ＬＥＤ波长根据样品进行选择，尽可能采用大功率ＬＥＤ；
（２）确保三极管型号、缓冲放大器参数满足需要；
（３）注意光源、样品位置，保证对单色仪的入射强度；
（４）ＰＭＴ应工作在线性区；
（５）ＰＭＴ输出端的连接方法；
（６）示波器尽可能采用高灵敏度、高带宽型号。
３．设计制作高稳定性高频调制光源。采用品振作为高稳定度信号源、以三极管作为高速开关驱动ＬＥＤ发光的办法，主要问题已基本得到解决。另外在频率调制、波长的改变、提高激发光强度、提高发射光耦合入单色仪效率的问题上，光源尚有很多改进的余地。
４．高频电流小信号的观测问鹿主要是由高频信号的传输必须采用５０欧姆阻抗以及示波器的探测灵敏度这两方面原因造成的，对其稳定有效的探测，是测量成功与否的关键。目前该问题主要靠提高发射光入射单色仪的效率来解决。
５．对甲酚紫乙醇溶液（３．３Ｘｌｆｆ３ｍｏｌ／Ｌ）进行了测量，并将结果与其它仪器相比较，证明该方法和该硬件具有有效性。但在进一步完善后，应该针对不同材料、进行大容量的样本采集，对数据进行统计分析，并与其它仪器的大容量的样本采集的统计结果相比较，才能够充分说明该测量仪器的可靠性。
参考文献
【ｌ】陆同兴．激光光谱技术原理及应用口川．中国科学技术人学出版社，２００６．
【２】ＳＵＯ２３ｈｉ－ｙｏｎｇ，ＷＥＩＸｉａｎ－ｗｅｎ，ＸＵＺｈｅｎｇ，ｅｔａ１．ＴｗｏＮｏｖｅｌＴｉｍｅＲｅｓｏｌｖｅｄＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ
Ｓｙｓｔｅｍｓ【Ｊ】．Ｃｈｉｎ∞ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｏｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０００，１６（５）：４０４－４０６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
【３】＿炅克，千轶风．浅谈石英品体振荡器及其麻＿｝ｌｊ【Ｊ】．物理教学，２００５（５）：３５．３６．
【４】李德吕晶体振荡器【Ｊ１．国外电子测量技术，２００４（１）：１９．２２．
【５】李学利．石英晶体的识别、结构、Ｊ：作原理及检测方法【Ｊ】．家电检测技术＜资料ｆｉ反＞，２００６（５）：１８．
【６】石家庄博哑电子技术有限公司．如何选择晶体振荡器及各项指标【Ｊ】．电子元器件应
用，２００５（９）：２．
【７】ＷＡＮＧＹｏｎｇ－ｊｉｅ，ＺＨＡＮＧＷｅｉ・ｌｉａｎ．ＴｈｅＳｔｕｄｙｏｆＨｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬＥＤｓ【Ｊ】．Ｊｏｕｍａｌ
ＯｆＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＯｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５．３４（４）：６５－６８．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
【８】诸吕钤，ＬＥＤ显示屏系统原理及Ｉ：程技术【Ｍ】．成都：电子科技人学出版社，２０００．
【９】谢金明，高速数字电路设计与噪卢控制技术【Ｍ】．北京：电子工业山版社，２００３．
【１０】冯慈璋，马两奎，Ｉ：程电磁场导论【Ｍ】．北京：高等教育出版社，２０００．
【ｌｌ】邱关源，电路［Ｍ】．北京：高等教育出版社，２００１．
【１２】Ｑ１ＵＧｕａｎ－ｙｕａｎ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｉｒｃｕｉｔｓ【Ｍ】．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＨｉｇｈｅｒＥｄｕｃａｔｉｏｎ慨１９９９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
【１３】何小艇，高速脉冲技术［Ｍ】．杭州：浙江人学出版社，１９９０．
【１４】陈一敏，高频电路板线路设计【Ｊ】．电子制作，２００２，（４）：５３．
【１５】杨世成，信号放人电路【Ｍ】，北京：电子．Ｊ：业出版社，１９９５．
【１６］王泳涛，集成运算放人器实川基础【Ｍ】，北京：化学Ｉ：业出版社，１９８４．
【１７］ＴｏｎｙＷａｎｇ，ＢａｒｒｙＥｒｈｍａｎ，用直观方式补偿互阻抗放大器，ＴＩ应用报告，２００５．
附录
附录Ａ数学推导
§１万坡１ｉ号孩谮分析
方波数学表达式：
正（ｆ）为周期函数，［一詈，三］为一个周期・有
刖户１ｏ，ｏ。州吖２：
将其展开为傅立叶级数：ｆＪ，一叫２ｓｔｓＯ，
石（ｆ）＝ｉａｏ＋∑（口．ｃｏｓｔｍａｔ＋ｂ，ｓｉｎｈｏｏｔ）
口ｏ＝彳２Ｊ＿［７『，［２２Ⅲ＿ｉｆ弦＝ｌ
吒＝孑２彬ｆＴ／２－，ｌｆｉｃｏｓ蒯＝吾ｒｏｏｓ枷＝ｏ
吒＝亍２上：ｆ加／２肌．）咖蒯＝ｊ２ｆ／２ｓｉｎｎ删ｄｔ＝一去∞ｓ，ｒｏｔＴｏ／２＝－２－二－－ｃｏｓ等又因为＝ｉ／／＝２万／口ｏ＝＝＞Ｔｃｏ＝２ｒｃ，所以有
屯一去ｃｏ一
＇
当ｎ为奇数时，吒＝二：当ｎ为偶数时，吒＝Ｏ．丹石
综上，方波《ｔ）的傅立叶级数形式为：厶∽＝ｉ１＋喜去ｓｉ丑删，ｎ２２Ｊ，ｌ＋ｌ，搠ＥⅣ附录Ｂ运算放大器（缓冲放大器）ＭＡＸ４２０１
。呕驴幸ｉ因ｉ
美信ＭＡＸ４２０１：
Ｉ．双电源运放：＋５Ｖ一５Ｖ．
２．．３ｄＢ带宽：７８０１ｖ１１电；
３．Ｖｃｍ：ＶＥＥ－０．２０Ｖ－ＶＣＣ－２．２５Ｖ：
４．５．
Ｖｏｕｔ：±２．１Ｖ（ＲＬ＝５０ｎ）：
去耦电容：０．１微法＋１０微法；６．输入阻抗：５００ＬＯ；７．输出阻抗：５０１２：
用途：ＬＥＤ驱动电压监测＿【｝ｊ缓冲放大器
附录ＣＰ６２３０Ａ探头
（ａ）探针自带地线较长（ｂ）以金属屏蔽层接地
附录ＤＷＤＭｌ．１型光栅单色仪
ＷＤＭＩ—ｌ型光栅单色仪，北京光学仪器厂出品。其特点是将改变单色波长的正弦机构与光学系统隔离，以避免机械润滑油挥发污染光学件，并减少金属件表面漫反射产生的杂散光。
光学系统照片
左图，单色仪光学系统：
光栅驱动系统照片
Ｓｌ；入射狭缝；Ｓ２：出射狭缝；Ｆ．反射镜；Ｇ：全息光栅；ＭＩ、Ｍ２：凹面镜．右图，单色仪光栅驱动系统：
ｌ：光电倍增管：２：光电倍增管提供负高压电源的电源模块Ｈａｍａｍａｔａｕ（３（３１４３．１３；３；正弦传动机构ｉ４：步进机４２ＢＹＧＨｌ０７：５：步进机驱动模块。
其中４带动３的螺纹柱旋转可以使３的杠杆臂沿Ｌ滑动，从而带动光栅Ｇ旋转．
由于拍照角度的关系，Ｌ和Ｇ的连接处被遮挡．
附录Ｄ光电倍增管Ｒ１０５
特点：直径２８．５ｍｍ、九级倍增、侧窗型光电倍增管，硼硅玻壳、取碱光阴极、３００～６５０ｎｍ一般数据：光谱响应范围最人响麻波长光阴极（不透明）阴极最小有效尺寸倍增极系统结构管壳（窗）材料极间电容（近似值）阳极脉冲上升时间电子渡越时间适川管座
极限Ｉ：作条什绝对最人值：刚极与阴极间的电压平均日Ｉ极电流环境温度范围
响应特性（２５℃、１０００Ｖｄｃ）：推荐电压分配比：
Ｉ
Ｋ
１２５０ｖｄｃＯ．１ｍＡ
３００～６５０ｎｍ（Ｓ－４）
４００ｒｉｍ
双碱光阴极
２４＊８ｒａｍ
环形聚焦（９级）硼硅玻璃
Ｒｌ极与最末倍增极间４ｐｆ阿１极与所有其他电极间６ｐｆ
２．２ｎｓ２２ｎｓＥ６７８．１１Ａ
．３０。Ｃ～＋５００Ｃ
最小：２５１ｘＡＪＬｍ：典型：４０“Ａ／Ｌｍ
Ｉ
ｌ
Ｄｙｌ
Ｉ聊ｌＤ，３ｌＤｙ４ｌ聊ｌ咧ｌＤ，／７Ｉ聊ｌＤ，９ｌ
ｌ
ｌ
Ｉ
ｌ
Ｐ
ｌ
ＩＩ
ｌ
ｌ１ｌｌ
‘：阴极呀：倍增极Ｐ：阳极
Ｅ６７８．ＩＩＡ型ＰＭＴ管座
光电倍增管Ｒ１０５
附录Ｅ高压电源模块ＣＣｌ４３．１３
参数及特性
输入电压输出电压漂移控制电压控制电阻输入电流外形尺寸重量输出电流纹波｝
＋１１～＋１６０～－１５００
０．０３
Ｖｄｃ
Ｖ
ｄｃ
温度系数预热时间输出响应工作温度贮存温度输入调整负载调整外形尺寸重量
±０．０３≤３０
２００
％／℃
ＨｉｎＭｓ
Ｔｙｐ．
±％／
ｈＭａｘ．ＶｄｅＫ
Ｑ
０～５
１０５５０７７￥５４｝３０
＋５～＋４０一５～＋５０±０．０５±０．１
７７｝５４｝３０
１１０
℃℃
嘲Ｉａｘ
ｍ＾Ｍａｘ．
ｍ
ｇ
％Ｍ“
珊ｍ
“Ｏ
ｌ３０
ⅢＡＨａｘ．ｍＶ
Ｔｙｐ．
ｇ
｝注：电压使＿Ｌ｝ｊ范围＋２００Ｖ
测试条件：负载电阻２Ｍ，电压为一ｌＩＯＯＶ．测试设备输入阻抗为７５Ｍ，隔直电容０．１ｕＦ／３Ｉ（、ｒ．输山电压调整办法：用电压调整：用电阻调整：橙线～高压输出黑线～地线
红线～输入电压黄线～０～＋ＳＶｄｃ白线～悬空
橙线～高压输出黑线～地线
红线～输入电压
黄线～ＩＯＫ电位嚣（中心）
白线～ｌ傩电位器
★酬ｌ
■ｌ囊—＿Ｊ
附录Ｆ同轴电缆接口
图ｌ
图３
图ｌＢＮＣ插头、插座、三通、阴极阳极转接口、堵头。
图２ＢＮＣ高压插头。用］－－ＰＭＴ负高压供电，可以承受３０００Ｖ以内高压．由于其绝缘层较厚，需要专用的插座匹配。不能混用。
图３
ＳＭＢ插座、插头。ＳＭＢ尺寸更小，更利于高频信号传输，价格相应也更高．
作者简历
祝诗扬，女，２５岁，研究方向：荧光寿命测量。
２００５年７月毕业丁．北京交通人学光信息科学与技术．获学十学位。２００５年９月至今。就读丁｜北京交通人学光学上程专业，攻读硕士学位。发表文章情况：
论文《基下一级傅立叶级数相调制法的荧光寿命测量》审稿中，‘发光学报》，第一作者。国家发明专利《一种纳秒级荧光寿命测量＿｝ｌｊ高频调制光源／Ａ
ｍｏｄｕｌａｔｅｄ
ｌｉｇｈｔ栅＇申请中．
ｔｙｐｅ
ｏｆ
ｈｉ曲－ｆｍｑｕｅｎｃｙ
基于一级傅立叶级数相调制法的纳秒级荧光寿命测量
作者：
学位授予单位：
祝诗扬
北京交通大学
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1229883.aspx
北京交通大学
硕士学位论文
基于一级傅立叶级数相调制法的纳秒级荧光寿命测量
姓名：祝诗扬
申请学位级别：硕士
专业：光学工程
指导教师：黄世华
20071201
中文摘要
摘要：
针对纳秒量级荧光寿命的测量，提出一种改进的相调制法，提取周期性激发信号和相应的发射波形信号傅立叶级数中的一级项，按照相位法测量荧光寿命的原理求得荧光寿命ｔ值。
据此设计测量系统，用以在硬件层面上验证改进的相位的法的有效性，为测量系统的实用化打好基础。系统主要由激发光源、光谱仪、数字示波器三部分组成。激发光源受高频周期性电信号调制，激励样品发光，用光谱仪完成波长的选择，由光电倍增管（ＰＭＴ）将光信号转换为电信号．得到激发光和发射光的光强随时间周期性变化的发光波形，利用数字示波器完成模拟信号和数字信号的转换（Ａ／Ｄ转换），最后利用ＶＢ程序进行数据处理求得Ｔ值。
本文为此设计了一种快速有效、低成本的新型激发光源，采用晶体振荡器为信号源，三极管为受控高频开关，调制发光二极管产生激发光。光源波长可以从９４０ｎｍ改变至Ｕ３８０ｎｍ（离散），可以被１０ＭＨｚ到５０ＭＨｚ的高频周期信号调制（离散）。
本文还对频率的选择、信号的传输、光电倍增管输出信号的电流／电压转换、示波器的数据采集等问题进行了分析，发现１０ＭＨｚ到５０ＭＨｚ是最佳频率范围。在此情况下，器件的选择、信号线连接方式以及系统各部分的最佳整合都对有效测量十分重要。
实例测量甲苯酚紫乙醇溶液（Ｏ．００３３ｍｏｌ／Ｌ）的Ｔ值为４．０３±Ｏ．８７ｆｉｔｓ，与德国ＰｉｃｏＱｕａｎｔ公司ＴＣＰＳＣ仪器测量结果４．２４ｎｓ相当。
关键词：荧光寿命；傅立叶级数；相调制法；发光二级管；晶体振荡器分类号：ＴＮ２４７；ＴＮ２９：ＴＨ７４４．１
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
ＡＢＳＴＲＡＣＴ：Ａｎｅｗｍｅｔｈｏｄｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｎａｎｏｓｅｃｏｎｄｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ
ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＴｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｂａｓｅｄＯｉｌｐｈａｓｅ－ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｌｉｆｅｔｉｍｅｉｓｔｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄｔｈｅｆｉｒｓｔｈａｒｍｏｎｉｅｓｉｎ山ｅＦｏｕｒｉｅｒｓｅｒｉｅｓｏｆｂｏｔｈｔｈｅｅｘｅｉｔａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｅｍｉｓｓｉｏｎｗａｖｅｆｏＩＴＩＩ￥．Ａｓｉｍｐｌｅｔｅｓｔｓｙｓｔｅｍ，ｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆ孤ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅ．１ｉｔｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｅａｎｄｌｌｎｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｌｉｇｈｔＳＯＵＩ＇Ｃｅ，ｗ勰ｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏａｎｄｐｒｏｖｅｄｔｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓａｖａｉｌａｂｌｅ．Ｔｈｅｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ∞愀ｉｓｌｉｆｌｌｔ
ｍｏｄｕｌａｔｅｄｂｙ
Ｏｎａａｈｉ曲・ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｉｇｎａｌｏｆｆｅｒｅｄｂｙａｃｒｙｓｔａｌｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ，ｗｈｉｃｈｉｓｆｏｃｕｓｅｄ
ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎｌｉｇｈｔｓａｍｐｌｅ．１１ｌｅｓｐｅｅ劬ｏｆｔｈｅｅｍｉｓｓｉｏｎｌｉｇｈｔｏｆｓａｍｐｌｅａｎｄｔｈｅｍｄｅｔｅｃｔｅｄｂｙＳｐｅｅｔｌｒｏｓｅｏｐｅ，ａｎｄｔｈｅｎｔｈｅｌｉｇｈｔｓｉｇｎａｌｉｓｃｏｎｖｃｔｔｏｄｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｉｇｎａｌｂｙＰＭＴ．１１”ｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｔｈｃｅｘｃｉｔａｔｉｏｎａｎｄｔｈｅｅｍｉｓｓｉｏｎａ∞ｂｏｔｌｌａｎａｌｏｇｓｉｇｎａｌｓｂｕｔｃｏｎｖｅｒｔｅｄｉｎｔｏｄｉｇｉｔａｌｓｉｇｎａｌｓｂｙ
ｄａｔａｔｏａａｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｐｈ，ｗｈｉｃｈｌⅧｌｓｍｉｔｓｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ａｔｌａｓｔ，ｔｈｅｃｏｍｐｕｔｅｒｃａｎｄｅａｌｗｉｔｌａｔｈｅｄａｔａｔｏｏｂｔａｉｎｔｈｅｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｌｉｆｅｔｉｍｅ．
Ａｔｙｐｅｏｆｈｉｇｈ—ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｅｄｌｉｇｈｔ
１１ｌｃｓｏｕｒｃｅｄｅｖｉｃｅｉｓｉｎｖｅｎｔｅｄａｔａａｃｃｅｐｔａｂｌｅｃｏｓｔ．ｈｉ曲一ｆｒｅｑｕｅｎｃｙｖａｒｉｅｓＩＯＭＨｚｔｏ５０Ｍ１｛ｚ，越ｗｅｌｌ勰ｔｈｅｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｏｆｌｉｇｈｔｃｈａｎｇｅｓｆｒｏｍ９４０ｈｍｔｏ３８０ｎｔｏ．
Ｆｕｌ＇ｔｈｃｒｍｏｒｅ，ａｌｌｎｅｃｅｓｓａｒｙｄｅｔａｉｌｓｗｅ∞ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｔｈｅｓｕｉｔａｂｌｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｃｏｖｅｒａｇｅ（１０－５０ＭＨｚ），ｔｈｅｓｉｇｎａｌｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ，ｔｈｅＩＮｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅＡ／Ｄｃｏｎｖｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｏｆＰＭＴａｎｄｏｓｃｉｌｌｏｇｒａｐｈ，ｅｔｅ．
１１ｌｅｒｅｓｕｌｔｏｆｍｅａｓｕｒｉｎｇｔｈｅｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｌｉｆｅｔｉｍｃｏｆｔｈｅｅｒｃｓｙｌｖｉｏｌｅｔｅｔｈａｎｏｌｓｏｌｕｔｉｏｎ（０．００３３ｍｏｌ／Ｌ）ｉｓａｖａｉｌａｂｌｅ（４．０３±０．８７地）．ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈ
ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ（４．２４ｎｓ）．ａｒｅｓｕｌｔｏｆａＴＣＰＳＣ
ＫＥＹＷＯＲＤＳ：Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅｌｉｆｅｔｉｍｅ；Ｆｏｕｒｉｅｒｓｅｒｉｅｓ；Ｐｈａｓｅ－ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉ∞ｍｃａｓｔｔｒｃｍｃｎｔ；Ｌｉｇｈｔｅｍｉｔｔｉｎｇｄｉｏｄｅ；ＣｒｙｓｔａｌｏｓｅｉＵａｔｏｒＣＩＡＳＳＮ０：ＴＮ２４７：ＴＮ２９：１１｛７４４．１
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。
（保密的学位论文在解密后适用本授权说明）
学位论文作者签名：导师签名：
签字日期：年月日签字日期：月日年
独创性声明
本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果．除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
学位论文作者签名：签字Ｅｔ期：月年日
致谢
本论文的工作是在我的导师黄世华教授的悉心指导下完成的，黄世华教授严谨的治学态度、独到的见解、科学的工作方法给了我极大的帮助和影响，在人生态度的问题上也给予了谆谆教诲。在此衷心感谢三年来黄世华老师对我的关心和指导。
由芳田老师、梁春军老师在学习和科研工作上给予了我很多的关心和帮助，光信息科学与技术研究所的吴重庆老师对于我的科研工作提出了宝贵的意见。侯延冰老师、姚志刚老师，以及理学院的赵中龄老师、陈世谦老师和电信学院的钱满义老师对我论文中的研究工作给予了热情帮助，在此表示衷心的感谢。
在实验室工作及撰写论文期间，邓召儒、尚超、陈多佳同学对我的研究工作给予了热情的帮助，黄金昭、唐爱伟、石志刚同学对于我的科研工作提出了许多的宝贵意见，在此表示衷心的感谢。最后要特别感谢我的家人和朋友们，你们永远是我的骄傲！
１引言
１．１什么是荧光寿命
基态电子被激发到高能态后，会通过辐射ｓ．
跃迁或者非辐射跃迁释放能量回到基态。
在单分子模型中，跃迁速度，即高能态的
电子数量减少的速度，正比于该时刻高能态的
电子数量，得到微分方程如下：ｓ＇圈１电子的激发与跃迁
掣：一州（ｆ），口≥０ａｔ（１．１）
求其解为Ⅳ（ｆ）＝Ｎ（Ｏ）ｅ－“，令口＝ｌ／ｆ，则有＾，（ｆ）＝Ⅳ（ｏ）一７・产生的瞬时光强，（ｆ）是单位时间内产生的能量，Ｊ下比于一＾ｍｄⅣ（ｆ）／缸＝ｈａ，ａＮ（ｔ）。因此，荧光发射的荧光光强随时间变化的波形具有如下数学表达式：
ｌ（ｔ）＝，（ｏ）ｅ１“（１．２）
当ｔ２ｆ时，荧光强度衰减到初始强度的１，ｅ，这个时间，就是该荧光物种在测定条件下的荧光寿命，也称作能级寿命。仅当荧光强度按照指数规律衰减时，荧光寿命才有确切的含义【Ｉ】。
在单分子模型中，电子在高能级的停留时间ｔ可取（ｏ，ｍ）区间内的任意值，其概率密度贝ｆ）正比ｔ时刻于高能态上的电子个数：
厂（ｆ）ｚⅣ（ｆ）＝Ⅳ（ｏ）∥’
ｆ，（ｆｐ：ｌ‘１・３’
由此。可解得单电子停留时间的概率密度，（ｆ）＝二Ｐ一咖，其统计平均值为：
；＝ｆｆ（ｔ）ｔｄｔ＝ｆ÷ｅ－，／‘ｔｄｔ＝ｆ
所以ｒ值也是电子在激发态的统计平均停留时间。（１．４）
进行发光材料的研究，需要了解发光中心的跃迁性质。发光中心间的相互作用，外场对发光中心的作用，以及发光中心与材料中杂质和缺陷的相互作用等等，都可能影响发光中心的跃迁性质，因此荧光寿命的测量是研究这些相互作用的重要手段。另外，许多复杂的分子问作用过程，例如超分子体系中分子间的簇集、蛋白质高级结构的变化等，都可能反映在跃迁过程中。所以荧光寿命的测量不仅是发光材料研究，也是化学、生物等领域研究所需要的一种重要实验手段．
１．２荧光寿命测量的现有技术及工作目标
根据材料的不同，以及跃迁过程的不同，ｒ值覆盖从飞秒（ｆｓ，１０。１５ｓ）到毫秒（ｍｓ，１０．３ｓ）甚至更长的范围。微秒、毫秒级的寿命，技术上已经十分成熟。较为困难的，是纳秒、皮秒、飞秒量级的寿命测量。
针对纳秒到皮秒量级荧光寿命的测量手段：
１．时问相关单光子计数法（Ｔｉｍｅ－Ｃｏｒｒｅｌａｔｅｄ
可以测到数十ｐｓ：
２．频闪技术（ＳｔｒｏｂｅＴｅｃｈｎｉｑｕｅｓ），即取样法；
３．相调制法（ＰｈａｓｅＭｏｄｕｌａｔｉｏｎＭｅｔｈｏｄｓ），难以测到璐以上；
针对皮秒到飞秒量级荧光寿命的测量手段：
１．条纹相机法（ＳｔｒｅａｋＣａｍｅｒａｓ），最高到数百臼；
２．上转换法（ＵｐｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎＭｅｔｈｏｄｓ）；
允许跃迁的荧光寿命通常为ＩＩＳ量级。针对ｎｓ量级的方法，如时间相关单光子计数法．大都需要结构复杂、造价昂贵的仪器。而很多情况下我们不需要像ＴＣＳＰＣ那样全能的仪器，在方法、器件上适当的改进，就可以开发出小型化、高性价比的仪器，在一定范围和条件下达到需要的精度要求。
在我们过去的工作中，设想了一种改进的相调制法，即在相调制法的基础上，提取周期信号傅立叶级数中的一级项进行相调制法的数学处理，有效降低了测量系统的实现难度，大大减小了噪声的影响，并在软件模拟中得到了很好的效果。
作者的工作，就是要据此开发相关硬件设备，探索新测量原理的可行性，并力争仪器的实用化，使之能真正应用于发光材料的研究工作中。
该方法需要的仪器主要是荧光光谱仪和数字示波器，是实验室的常备仪器。采用ＬＥＤ作为激发光源成本也较低，并且易于调制。总体来看。该系统的开发难度小，有望在硬件上得以实现。目前，测量纳秒量级荧光寿命的仪器依赖进口，而我们组一直在做荧光寿命测量的工作，已经积累了一些经验。因此，这是一件非常有实用价值，同时具有可行性的、值得尝试的工作。Ｓｉｎｇｌｅ－ＰｈｏｔｏｎＣｏｕｎｔｉｎｇ，ＴＣＳＰＣ），
２
２基于一级傅立叶级数的相调制法
２．１相调制法测量原理
单指数衰减的相调制法原理如图２所示。用角频率为ｍ的Ｊ下弦调制激发光目力，激发被测样品。设样品的荧光寿命为ｒ，稳态下激发光觑ｆ）和样品的发射光“ｆ）可分别表示为：
Ｅ（ｆ）＊ｌ＋ｍｓｉｎ（叫），一ｌｃｍｃＩ（２．１）
（２．２），（ｆ）。ｌ＋【ｍ／（１＋１０２ｒ２）１／２】ｓ缸（耐一，），户ａｒａａａ（国ｆ）
ｆ＝ｔａｎ∥ｍ与耳ｆ）相比，，（ｆ）有相同的频率。，但相位滞后了妒。根据相调制法原理，测得两波形的相位角或调制度之比，就能得到荧光寿命ｒ值［２１，如式２．３所示。（２．３）
・＇∞０１∞∞Ⅻｍ
ＯｅｍｍⅫｍ
田２相调制法原理图
２．２激发频率的选择
相调制法的出现较早，是比较成熟的测量方法，已经应用于微秒和毫秒级的荧光寿命测量中。但在纳秒级的测量中却有许多难题，主要集中于以下三个方面：
１．缺少稳定、严格正弦的激发光源；
２．信噪比低：噪声、电磁干扰、电流信号转换效率低等原因，造成不能对光强信号进行稳定有效的测量；
３．器件响应速度不够（ＰＭｒ、示波器）。造成这些问题的原因，主要是激发频率的较高造成的。不同的时间范围的荧
光寿命需要不同的激发频率，纳秒量级荧光寿命测量需要的频率一般大于１０ＭＨｚ，从而带来了～系列的问题。
由式（２．３）可知，ｒ和相移矿的关系并非线性。激发频率太低会造成ｒｍ接近零值，从而毋也接近零，耳ｆ）和足力波形重叠在一起，极易造成误差。设ｒ＝１０ｎｓ，采用正弦波激发，重复频率ＩＫＨｚ，则ｔａｎ驴＝ｒ∞－２ⅡＸ１０～，因此毋≈２Ⅱ×１０一，相移角度仅有０．００３６。，难以准确测量。若激发频率提高为ＩＭＨｚ，则有ｔａｎ毋＝２Ⅱ×１酽，从而妒．一２丌×１０．２＝３．６。。由此可见，适当提高激发频率能显著提高系统的分辨率。
而当厂过高，会使得妒一丌１２时，ｔａｎ咖一一，斜率非常大，因此测量庐时极微小的误差都会引起ｔａｎ矿极大的改变。所以频率过高会放大原始误差，也使系统不稳定。
设相位角的读数误差为４办为保证荧光寿命的误差小于ｒ，毋应该限制在一定的范围之内：了Ａｒ＝丽Ａ＃—２Ａ一＃ｓｉｎ２＃‘￡了一忑丐面一一“
！。咖三竺。≯＜！ｆ石一戤血２Ａ＿＿ｔ１２～￡Ｊ２’（２．４“１ｕ整理后得到矿的取值范围：（２．５）。７
￡
由式２．３，可以推出。的合理取值范围，并可知ｕ的取值与ｒ成反比，待测的ｒ短，则ｕ越高。例如，若Ａ毋＝ｌ。，如果要求ｆ为５％，妒则应保持在２２。～６８。之间。如果要求准确度为ｌＯ％，毋的范围则可能扩大到１０。～８０。。对于１０／ｔｓ的寿命，相应的口范围为２．８ｋＨｚ～９０ｋＨｚ，对于ＩＯｎｓ的寿命，相应的。范围则是２．８删ｚ～９０删ｚ。而对于Ｉｎｓ的寿命，相应的ｕ范围则高达２８删ｚ～９００Ｍｔｔｚ。从我们的目的而言，选择５０删ｚ左右的激发频率是可行的。
电磁波根据其频率范围，被划分为中波、短波的波段范围，各有其应用。如表ｌ所示。可见，要进行ａｓ量级的ｒ值测量，ｍ的取值范围主要覆盖了中波和短波的频段。属于无线电应用的范围。由此，电路中屏蔽不良的导线会像天线一样将电磁波发射到空间中，同时也接受空间中的电磁波。所以干扰和噪声的问题比较严重。在此频段，普通Ｌｃ、ＲＣ振荡电路难以稳定有效的工作，从而导致缺少稳定、有效的激发光源。此外，由于ＰＭＴ只能通过５０Ｑ的电阻将电流信号转换为电压信号，转换比率太低。造成信噪比小，难以锝到有效的数据。
至于器件的响应速度问题，ＰＭＴ的璐量级的响应速度和高增益使之成为光电探测器件中优选的器件。示波器则随着电子技术的高速发展而不断出现新的高带●
宽示波器，试验室现有的ＴＤＳ５４０Ｄ带宽５００ＭＨｚ，已经基本能满足要求。
总之，相调制法在纳秒级荧光寿命测量中的瓶颈，是由较高的激发频率造成的两大问题：①缺少稳定有效的激发光源；②信号太弱，信噪比过低，提取不到有用信息。
表１电波划分频段及其应用
电波名称
超长波
长波（ＬＦ）
中波（ＭＦ）
短波（ＨＦ）波长起始点频率起始点主要用途一３呲一】加婿ｈ列车和海上无线通讯ＡＭ，“播．船舶无线通讯航空和船舶无线通讯
电视转播，ＦＭＪ“播，业余爱好者无线通
讯．无线传呼
电视传播，移动电话，车载电话Ｉ眦超短波（Ⅵ｛Ｆ）ｌｍ一一３舭一如眦铀ｍ月Ｉ易极短波（ＩＪｌ－．１Ｆ）
微波（ＳＨＦ）
毫米波（ＥＨＦ）
亚毫米波１．Ｓｅｒｅｌｆｍ一３Ｇ＆一３Ⅱ０ｌ－ｋ卫星转播，卫尼通讯，雷达短距离无线通讯（卫星）一加０６咆
２．３基于一级傅立叶级数的相调制法
针对相调制法在纳秒级灵光寿命测量中的难恿，我们组曾提出了－一种改进的相位法，可以用任意波形的周期性光耳ｆ）＝耳ｔ＋Ｔ）作为激发光测量荧光寿命。把周期为Ｔ的周期函数以ｆ）在［－Ｔ／２，Ｔ／２］Ｉ－＿展为傅立叶级数：
厶…
刖。詈＋ｒ薹＝ｌ［Ａｎ州删＋％８缸删刀
２詈‘１＋，Ｉ＝至．Ｊａｎ（２．６）ｓｉｇｎｅｔｗ＾刀
其中，％：２扛：＋《／ｋ，甲。：。ｔａｎ（＾／％）。
样品发光曲线，（ｆ）正比于激发光耳ｆ）和单指数衰减函数ｅｑ／７的卷积，
，（ｆ）《Ｊ二Ｐ—ｏ叫’，ｆＥ（ｔ＇）ｄｔ・
将（２．３）代入（２．４），整理后得到：（２．７）
其中咖。砌ｎ（”∞ｆ），是觑ｆ）和聃的ｎ次谐波问的相位差；％Ｓ７０）‘１＋，蓦％％ｇ缸，删＋甲＾一九）（２．８）
＝１／（１稚舻Ａ１勺。由此可得：
ｒ＝ｔ龃九／｛聊》＜２．９）
从理论上说，提取任何ｎ次的谐波都可以求得ｒ，但由于由于基波（ｎ．１）是谐波中信号最强的，采用基波（ｎ＝１）作为有效数据进行计算球ｔ，可以最大限度的得到有效信号，并避免噪声干扰。
该改进的相调制法带来了显而易见的好处。由于任意波形的激发光都是可行的，则大大降低了对激发光源的要求。由于不再需要受正弦调制的光源，则可以采用廉价易用的、高稳定度的晶体振荡器，作为信号源调制ＬＥＤ发光，不需要采用复杂昂贵、难以小型化的信号源。同时，一定强度内的噪声都不再成为问题，系统的抗噪能力大大提高。测量方法上的改进，将系统的实现大大向前推进了。２．４方波周期信号的激发
在周期性信号的选择上，本系统选择了方波激发。
因为晶振在高频段的方便易用，选择其作为激发信号源（参见３．２．１激发光源）。晶振可以正弦输出，也可方波输出，但同样频率和稳定度的晶振，正弦输出的价位是方波输出的十多倍。原因在于方波输出可以采用有许多成熟的数电芯片，不用做特别处理。因此本系统采用了方波信号激发。
方波激发带来一个重要问题：方波信号有着非常丰富的频率成分，可能会给后续电路带来不必要的负担。方形脉冲波由于是周期性函数，可以看作是无数带不同权重的Ｊ下弦波的叠加（傅立叶级数）。并且对于占空比为５０％的方波而言，正弦波的周期是方波的重复频率的奇数倍ｐ】。方波坟ｔ）的傅立叶级数形式如式（２．１０）所示（参见附录Ａ，§１）：
ｆｒ（ｔ）＝ｊ１＋喜去ｓｉｎ舭ｎ＝２ｍ＋ｌ，ｍｅＮ
图３所示。…ｏ）下面以５０ＭＨｚ的方波为例加以讨论。值得注意的是，一般讨论的频率指的是重复频率，而频谱中讨论的频率则是指傅立叶展开后包含的正弦波形的频率，如
由图可以看出，５０ＭＨｚ方波的高频成分是比较丰富的。在方波的重复频率（５０ＭＨｚ）的１ｌ倍处（５５０Ⅻｚ），高频成分权重小于３％，可忽略不计．
所以，如果示波器的带宽不够，就会造成方波的高频成分被滤掉，无法观察到方波尖锐的边缘。由此，如果要观察方波，那么示波器合适的带宽应该在其重复频率的１０倍以上。针对采用的５０Ｍｌ－ｌｚ方波信号．采用５００ＭＨｚ的ＴＤＳ５４０Ｄ测６
北立蛮通厶堂硒±堂位论塞基王二缓傻童吐缝熬艘担调制迭量是合适的。参见５．２．２驱动电压的测量。
０∞∞∞∞ｍ１∞
Ｔｈ镕№
Ｅ
ＯＤ
。严Ｌ～』～』口１∞Ⅲ”
Ⅻ一Ｐｒｅｑ∞ｎ”ｃｙ（Ｍ…Ｉ－ｔＺ）ｍ（Ｉ
圈３５０ｔ斛Ｚ方渡纭谱固
韭豆至蕉叁生亟±茔焦ｊ坌塞纳壁缝蕴盘查佥翘量丕统蕉篮遮让３纳秒级荧光寿命测量系统硬件设计
３．１系统的基本组成
测试系统装置简图如图５所示，主要由激发光源、光谱仪、数字示波器三部分组成。
圈４系统装置简圈
激发光源受周期性变化的电信号驱动发光，从而激励样品发光，用光谱仪完成波长的选择，由光电倍增管（ＰＭＴ）将光信号转换为电信号，得到激发光和发射光的光强随时间周期性变化的发光波形，利用数字示波器完成模拟信号和数字信号的转换（Ａ／Ｄ转挟），最后利用ＶＢ程序进行数据处理求得ｆ值。
３．２激发光源
普通的光源难以满足高频率、高稳定度的要求，需要进行特殊的调制手段。以ＪｏｂｉｎＹｖｏｎＩｎｃ．公司的Ｆｌｕｏｒｏｌｏｇｇｑ＇ａｕ－３ＬｉｆｅｔｉｍｅＳｙｓｔｅｍ为例，采用的是调制氙灯出射光的办法。利用的是晶体在电场下的泡克耳斯效应（电光效应的一种，一些晶体在纵向电场作用下会改变其各向异性性质，产生双折射效应，改变通过的光的偏振态）。将泡克耳斯盒（ＰｏｃｋｅｌｓＣｅｌｌ）置于两正交偏振片之间，就可以通过控制光的偏振态进而调制通过末极偏振片的光强大小。这样的设备可以保证激发光被１００ｋ比一３１０ＭＨｚ频率调制，并且严格正弦。但电光效应通常需要千伏左右的高压，以及晶体、电场、光路之间的良好配置，技术难度较大。
目前其他脉冲宽度处于或优于纳秒量级的光源主要有：超短脉冲激光器、受输出纳秒量级冲击信号的电路调制的发光二级管。但这些光源一来成本昂贵，二来光脉冲的停止时问比持续时间长许多，造成信号重复频率低（相调制法的调制●
频率等于信号的重复频率），并不适合应用于相调制法的测量。对毫秒量级的荧光寿命测量，可以用电机转动带孔的转盘，实现光路的通断，从而得到周期性的激发光。但这种装置受电机转速限制（通常数千转／分），难以应用于纳秒量级的测量。
发光二级管是近年蓬勃发展的新型电致发光器件，由于其具有响应速度在纳秒量级、可选波长范围宽（从红外到深紫外（２５５ｎｍ）都已商品化）、半峰宽较窄（通常１０ｒｉｍ，单色性好）、光通量普遍较高（１０ｍｌｍ～１００１ｍ）、调制手段简单等优点，成为激发光发光器件的首选。可以用周期性高频电信号对其调制发光，从而得到高频调制激发光。
而周期性高频电信号如果采用现有的商品信号源输出，一来成本昂贵，二来体积庞大。由于需要将光源放入荧光光谱仪的样品室工作，应尽可能的减小光源的体积。也可以采用传输线将信号源的信号接入样品室再调制发光二极管发光，但由于高频信号传输的特性，传输线长度超过传输信号波长的１／２０后必须考虑分布电容、电感造成的信号失真，电路设计复杂。此外，传统的ＲＣ、ＬＣ正弦振荡电路和５５５等脉冲电路高频性能欠佳，难以应用于数十兆赫兹的频率范围。如果采用单片机、ＡＲＭ、ＦＰＧＡ等手段．理论上可以实现高频的输出，并且有可以方便地调整频率的优点，但研发的硬件成本和时闯成本都很高。
因此，自行组装的激发光源由ＬＥＤ、晶体振荡器和驱动电路组成，如图４所示。
圈５激发光源潭电路圈萎一兰图６驱动信号／发光信号波形
９晶体振荡器可输出数千ｋＨｚ到１６０ＭＨｚ的方波信号，用作调制ＬＥＤ发光的信号源。本文采用５０ＭＨｚ的简式晶振，提供肛５ｖ的电压信号。ＬＥＤ光强由工作电流决定，驱动电路将晶振产生的电压信号转换为电流信号，并隔离信号源和负载，有利于晶振的稳定工作。其电路图如图５所示，输出的驱动信号波形以及ＬＥＤ的发光信号波形如图６所示．另外，为了将光源放入荧光光谱仪的样品室工作，应尽可能的减小光源的体积。由于发光二极管光谱窄（典型值１０ｒｉｍ），更换不同特征波长的发光二极管，
就可以实现本高频调制光源输出光波波长从９４０ｒｉｍ到３８０ｎｍ的改变（离散，非连续）。从发光材料样品测量而言，需要的是短波长光源。目前波长在３８０ｎｍ以下的ＬＥＤ功率太小，仅在微瓦量级，尚不能应用于荧光寿命的测。更换不同本征频率的晶振，就可以快速、低成本地实现调制频率从１０ＭＨｚ到５０ＭＨｚ的改变（离散，非连续）。
３．２．１石英晶体振荡器
石英晶体作为滤波、振荡元件，虽然其发展历史只有短短几十年，却已广泛应用在广播，通信，电子测量、航空、航天等方面。通常所说的晶振可能指晶体谐振器，也可能指晶体振荡器【３Ｈ们。
晶体谐振器通常为两个脚，是将石英晶体放于两块平行电极间。将两极间加上交变电压，当且仅当其频率与晶体的固有频率相同时，晶体发生机械谐振（共振），常用于稳定度高的高频振荡器。其外观随插脚和表贴等封装形式不同而各有差异。电路符号如图７（ａ）所示。
ＶｈＯＵｔ
［＝］＿＿－＿’＿＿＿＿＿＿一—１—［－［＝＝］●＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿——
（ｂ）
圈７量体谐振器／滤波嚣／振荡叠
此外，如果将石英晶体放置于图７（ｂ）所示的电极间．则组成～种晶体滤波器．其工作原理是：前级多种频率的混和信号中仅有与该晶体固有频率相同的才能够引起晶体谐振，而谐振后的晶体也只能给后级转换出同频率的信号，这就相当于仪把与晶体固有频率的信号选择通过滤波器，故这是一种灵敏度高、选择性强的滤波器。
晶体振荡器（ＣｒｙｓｔａｌＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ，缩写ＸＴＬＯ）通常为四脚，接好电源和地信号后就可以得到稳定度极高的振荡信号。左下角的管脚通常空置，以圆点标记．由于目前没有专用的电路符号，图７（ｃ）为其示意图。
晶体振荡器由石英振荡电路和输出电路两部分组成，振荡电路中以石英作为电介质的平行板电容器，又具有等效电感．这样晶体元件等效为一个品质因数Ｑ很高的谐振回路，其Ｑ值一般约ｌｏ．～１０６，如图９所示。一般来说，影响振荡电路稳定性的主要原因在于温度的变化。石英晶体固定频率受温度变化影响小，所以晶振是高频振荡领域里稳定性最出色的器件之一，其温度稳定度典型值为±１０ｐｐｍ／０－±５０１２，（ｐｌａｎ：ｐａｒｔｓｐｅｔ－ｍｉｌｌｉｏｎ，ｌＸｌｏ‘；频率稳定度定义：ｚｌｆｌｆ）．
输出电路的作用是对振荡获得的正弦信号进行缓冲、放大、整形。得到某种特定的输出，以便驱动负载等。其输出可以为Ｊ下弦波和方波。方波有肛５ｖ的ＴｒＬ形式，Ｏ－－１０Ｖ的ＣＭＯＳ形式，肚３．３Ｖ的ＨＣＭＯＳ形式以及输出为负电压信号的ＥＣＬ形式。另外方波输出还有占空比、上升时间、下降时『白Ｊ等参数【４】。此外，使用时还要注意输入电压的范围，以免把晶振烧坏。
晶振的分判习：
ｌ－简式晶振（ＰＸＯ，Ｐａｃｋａｇｅｄ
由晶振温度性能决定；
２．压控晶振（ＶＣＸＯ，ＶｏｌｔａｇｅＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄ
引震荡频率，调解范围为ｋＨｚ量级；Ｘ－ｔａｌＸ－ｔａｌＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）：频率稳定性、温度性能完全Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）：用调解外电压来牵
ＯｓｃｉＵａｔｏｒ）：附加温度３．温补晶振（ＴＣＸＯ，ＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ
补偿网络，可抵消晶体产生的频率．温度漂移；
４．恒温晶振（ＯＣＸＯ，ＯｖｅｎＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＸ－ｔａｌＸ－ｔａｌＯｓｃｉｌｌａｔｏｒ）：晶体温度总是保持
在一点上，是最稳定的类型；
５．组合晶振（ＶＣＸＯ、ｖｃｒｃｘｏ、Ｖｌ：ｏｃｘＯ）：
晶振的参数【６】：
１．标称频率；
２．工作温度范围；
３．温度变化的频率稳定度：例如±１０ｐｐｍ／０－＋５０１２，表示在规定的温区内
频率最大变化范围为２０ｐｐｍ：
４．负载变化的频率稳定度：受负载变化影响的稳定度；
５．电源电压变化的频率稳定度：受电源电压变化的稳定度，由此可见应选用
稳压性能好，温度漂移小的直流电源。常用电源电压为３．３Ｖ、５Ｖ、９Ｖ、１２Ｖ、２４Ｖ、．５．２Ｖ或．５Ｖ；
６．短期频率稳定度：
７．日老化率：晶体的工作参数随时问的变化会引起晶体振荡器的频率漂移（与
其他外部因素无关），初始加电时，老化快，随时间推移而变慢，日老化率、年老化率是衡量这一特性的参数；
８．年老化率：较日老化率更为常见；
９．控制电压；
１０．控制线性；
１１．调整误差：针对压控晶振；１２．牵引范围或牵引灵敏度：针对压控晶振；
１３．起动电流；
１４．稳态电流；
１５．相位噪声；
｜
Ｌ．等效电感，一
般很大
Ｌ
ＣｔａＯＣ．．ＣＯＺ㈣１７㈣０…Ⅲ∞１∞｝∞７’ｊＥ－∞７
ｎ０《＋∞ＯＢ∞Ｅ－●幛１∞Ｂ－∞，１．ｇ蕾ａ．＃ｆｆ／Ｃ：等效电容，一般很小白Ｒ：等效屯阻，约数欧姆到数百欧
姆；・＇５■…唯埘ｄＥＯａＥ－ＯＮ｜Ｒ
ｃＤ：晶振内部电
容的总和
＂ｉ＇ｌｍ●Ｉ●
围８昌体等效谐振电路图９昌振的零负载输出信号
本文采用的是通用的简式晶振，标称频率为５０ＭＨｚ，输出为１］儿、占空比为５００，６的方波，如图ｌＯ所示。设其稳定度为２５ｐｐｍ，则周期为２０ｎｓ＋０．５ｐｓ，误差已经小到可以忽略。从目前的实测效果来看，简式晶振的稳定度已足够。
３．２．２发光二极管的高频性能
目前ＬＥＤ从红外到深紫外（２５５ｎｍ）都已商品化，具有可选波长覆盖范围广、光谱窄、成本低、响应快的优点。同时，调制手段简单，与电光调制相比，更加灵活，易于实现。实验时，应根据样品情况选择相应波长的ＬＥＤ。本文采用的紫光ＬＥＤ峰值波长为４０８ｒｉｍ，半峰宽１３ｒｉｍ。
但是，本文采取的高频调制ＬＥＤ制
作光源的办法，涉及一难点：ＬＥＤ的调
制带宽问题。ＬＥＤ具有ＰＮ结的结构，Ｒ
Ｃ
Ｕ而ＰＮ结本身具有结电容。结电容包括
一般为ｐＦ量级的势垒电容和数十ｐＦ以
上的扩散电容。再加上有源区载流子复Ｒ：动态等效电阻Ｃ：分布电容Ｌ．分布电感Ｕ：等效电池光强应与流过Ｒ的电流大小成正比
合寿命的影响，调制带宽最高仅数十兆田１０ＬＥＤ高频等效电路
赫兹［－ｑ。其中，紫光ＬＥＤ是响应最快的ＬＥＤ。再考虑到寄生电感的存在，ＬＥＤ的高频等效电路如图ｌｌ所示。由此，过高的调制频率会使激发光没有足够的幅度变化，降低信噪比。
若将ＬＥＤ直接与晶振连接，ＬＥＤ的平均工作电流约为２０ｍＡ。这样的电流对晶振而言偏高，使得晶振发热严重，影响器件的使用寿命和稳定度．若采用通常
减小电流的办法一串接限流电阻，由于晶振内阻Ｒｇ的存在，形成ＲＣ串接的一阶电路，将明显降低ＬＥＤ两端的驱动电压的调制幅度，从而影响到光强变化的对比度，如图１３所示。同理，也无法用此办法灵活地调节ＬＥＤ的平均光强。
所以，ＬＥＤ的高频调制，在以晶振为信号源的基础上，采用额外的驱动电路调制发光。
・口－蕾ｄ■ｎｍ）一●●●
ｒ州嗍
围１２串接不同电阻后的ＬＥＤ两端压降圈１１量振零负载／接ＬＥＤ的输出信号比较
３．２．３驱动电路及驱动信号的监测
驱动电路的设计有以下几项要求：
１．信号源与功耗器件隔离：
２．可灵活调节ＬＥＤ工作电流；
３．在保证驱动频率合理的前提下应尽量提高光强变化幅度。
ＬＥＤ的调制发光已经有一些比较成熟的经验【８ｌ，主要采用信号源连接晶体管Ｂ极，以基极电压控制Ｃ极和Ｅ极蒯的开／断状态，使晶体管成为被信号源控制的高速开关，并由电源提供ＬＥＤ的主要功率的驱动方式。按照采用的三极管的种类（ＮＰＮ／ＰＮＰ），ＬＥＤ和三极管串联／并联的方式，以及ＬＥＤ串联三极管时连接Ｃ极还是Ｅ极等不同，再组合起来，有十种不同的连接方式。
实验中分别用三极管ＢＣ３２７（ＰＮＰ，２００ＭＨｚ）、ＢＣ３３７（ＮＰＮ，２００ＭＨｚ）和ＢＦＲ９０Ａ（ＮＰＮ。３Ｇ带宽。４０ｍＡ电流）进行尝试。实验结果表明，限流电阻Ｒ串接三极管后接地，ＬＥＤ连接于三极管和电源之间的电路效果最好，如表２所示．此外，带宽最高的高频三极管ＢＦＲ９０Ａ表现欠佳，不能点亮ＬＥＤ，原因未知。
频率范围则由于发光二级管的响应速度的限制，最高仅到６０ＭＨｚ。频率高于６０ＭＨｚ后，激发光的光强对比度会迅速恶化，推荐的最高频率采用５０ＭＨｚ。这样最佳激发频率范围就为１０ＭＨｚ到５０ＭＨｚ．
表２ＬＥＤ的不同驱动方案
序
号电路图特征描述
ＬＥＤ和二极管并联
接地，二极管导通
时电流经二极管接
地，关断时电流经
ＬＥＤ接地。
限流电阻Ｒ串接三
极管后接电源，
ＬＥＤ串接三极管后
接地。试验结果ｌ铭荡、；；ＬＥＤ被点亮，但两端没有出现交流电压，原因朱知。不推荐采用。２士士９
、删、刚ＰＪ＿上不能灵活调节工作电流，跟其他驱动方式相比也没有明显其它优势。不推荐采用。Ｔ３ｊ。ｊ＼、ｆ厂］厂］厂］，．限流电阻Ｒ和ＬＥＤ串接丁．三极管和电源之间，二极管另一端直接接地．Ｔｖｌ＿ＪＬ上—Ｌ一．．０００晶振输出的方波电压变为类似微分电路的脉冲输出波形。原因未知。
不推荐采用。
ＰＮＰ型管发热严重，原因未知。ＮＰＮ型管由丁是高电平有效的，所以需要较高电压驱动，光强偏弱。
ＬＥＤ两端电压有明显幅度变化。虽然由丁．分布电容、电感的存在，在原方波驱动电压上有变形，见图１４，但光强都有明显的周期性幅度变化，并且可以灵活调节电流人小。推荐采用。４５★卞卞孛字限流电阻Ｒ和ＬＥＤ串接丁二极管和地之间，二极管另一端接电源。限流电阻Ｒ串接三极管后接地．ＬＥＤ连接丁．二极管和电源之间。雌盛圈１３加入驱动电路的ＬＥＤ驱动电压
１４晶体管可以分别工作在饱和、放大、截至状态，这由ＵＢＥ和ＵＢＣ的电压决定．当它工作在饱和状态时，等效于短路，当工作在截至状态时，等效于开路．
７∥－ａ／，，＿ｖ）仰＋１１Ｒ忻分ｖ＋ＲＶ｝
当它工作在放大状态时，有关系式Ｉｃ＝ＢＩＢ，ＩＥ＝ＩＢ＋Ｉｃ＝（ＵＢＥ．ＶＢＥ）／Ｒ，由于６一般量级在数十到一百之间，忽略ＩＢ后有Ｉｃ。（ＵＢＥ—ＶＢＥ）／Ｒ。硅管的ＶＢＥ约为Ｏ．７Ｖ，最后得到Ｉｃ。（ＵＢＥ－０．７Ｖ）／Ｒ，可由此推算Ｉｃ，即ＬＥＤ的工作电流。从我们的目的来看，饱和与截至状态都是可以接受的。
下面以ＮＰＮ型管为例，分析满足驱动电路正常工作的条件。
由于紫光ＬＥＤ的截止电压高于３Ｖ，电源Ｖｃｃ为５Ｖ，所以要点亮紫光ＬＥＤ应使Ｃ极电压Ｖｃ的范围处于１．５Ｖ到０Ｖ之阃。Ｂ极直接连接晶振，其输出电压的高电平标准值为５Ｖ。但在后续电路的影响下，通常略低于该值，为４Ｖ左右。当ｖａ＝ｏｖ时，ＢＥ阃没有电流，ＬＥＤ表现出反向电势特性，ｖｃ２ｖ（ＰＵＬＥＤ＝２Ｖ，ＵＢｃ＜ｏ，三极管截止，ＬＥＤ不发光。当ＶＢ＝４Ｖ时，ＵＢＥ＞０，三极管导通，ＬＥＤ发光。
由于有Ｖｕｍ＋ＶＲ＋ＶｃｆＶｏｃ，Ｉｃ＋ＩＢ＝ＩＥ，以及Ｉ产ＢＩＢ，所以（ＶＬＥＤ＋ＶＲ）／Ｉｃ曲线和三极管的ＶＣＥ／Ｉｃ曲线的交点就是工作点，决定了此时Ｖｃ值以及Ｉｃ的大小，如图１５所示。测得ＶＣ＝Ｉ．５Ｖ，Ｕａｃ＞０，此为饱和的短路状态。
此时ＬＥＤ工作电流ｌｃ由电源提供，流过限流电阻Ｒ的电流ＩＥ＝ＩＢ＋Ｉｃ，并且由晶振提供的ＩＢ是不能忽略的，如果用公式Ｉｃｔ（ＵＢＥ＇ＶＢＯ／Ｒ估算ＬＥＤ工作电流，结果会偏大。此外，ＰＮＰ型三极管是Ｖｆ０Ｖ时导通，低电平有效，有文献指出ＰＮＰ型三极管的功率驱动性能更好。但如图１５（ｃ）所示，ＰＮＰ型的Ｂ极电流方向是指向晶振的，这可能会造成某些型号的晶振不能很好的工作。
表３ＮＰＮ／ＰＮＰ型昌体管工作状态列表
电路符号
ＮＰＮ饱和ＵＢＥ＞ｏ’
ＵＢｃ＞０放大ＵＢＥ＞Ｏ，ＵＢＣ＜０截止ＵＢＥ＜ｏ’ＵＢｃ＜０电流流向型ＪｃＢ—Ｌ
Ｅ
ＰＮＰＪｃ
型Ｂ—Ｌ
ＥＵＢＥ（０．ＵＢＣ＜０ＵＢＥ＜０，ＵＢｃ＞０ＵＢ部，Ｉ产¨ＵＢＣ＞０’０＃
，＾，．』，
，∥’Ｉｃ
／
。｜１
／／７７／
‰／｜，／ｉ／ｌ，／一』／
（－）“凶＋ＶＤ／Ｉｃ曲线
工作
Ｖｃｅ
（ｂ）ＬＥＤ工作点
田１４三极管驱动电路工作状态分析
ＬＥＤ两端的驱动电压信号要作为光信号检测时的参考信号以及示波器的触发信号，需要对其进行稳定、有效的实时监测。一般性观测可以使用示波器探头，但一来示波器高频探头售价昂贵（以泰克公司Ｐ６２３０Ａ探头为例，市价为３０００元人民币左右），一般～台示波器只配置一个探头，不能满足同时测两个以上的信号的需要。二来探头需要良好接触（参见４．３高频信号的观测），仅靠人工操作稳定性不能保证，并会在长时间的测量工作中不必要地占用人力资源。
在此情况下，采用高频信号传输所用的缓冲放大器（也称为电压跟随器），对驱动电压进行监测。缓冲放大器具有极高的输入电阻（１０ＳＭＱ量级），对原电路影响小，同时有５０Ｑ的输出电阻，与同轴电缆的特性阻抗相匹配（参见３．５高频信号的传输），能不失真地将输入端的电压信号以２：ｌ的比例传输至示波器显示。
缓冲放大器芯片的选择应注意以下几方面：
１．带宽高于５００ＭＨｚ（参见２．４方波周期信号的激发）；
２．输入输出电压范围合适（０－－－５Ｖ）；
３．电源电压范围合适。电源，尤其是高频性能好的线性电源，体积大，成
本高。如果不能和光源其他器件采用同一个电源，就会大大增加光源的
体积和成本。
基于以上考虑，选择ＭＡＸ４２０１（．３ｄＢ带宽：７８０ＭＨｚ，电源电压：±５ｖ，可单电源工作；输入电压２．７５Ｖ～－４．８Ｖ；输出电压：４－２．１Ｖ：参见附录Ｂ）。综上所述，激发光源的电路原理如图５所示，实测驱动信号和激发光信号波形如如图１５所示。需要说明的是，ＭＡＸ４２０１输出电压范围较窄，发光二级管的负引脚处电压值的峰值高于２．１Ｖ，因此将缓冲放大器输入端连接于三极管与限流电阻Ｒ之问，监测与ＬＥＤ两端之间的电压等价的限流电阻Ｒ两端之间的电压。由于受晶体管、发光二级管等的影响，跟晶振的零负载输出电压波形相比，略有不同。另外，发光信号由光电倍增管转换为电信号，再通过数字示波器进行Ａ／Ｄ转换后得到发光信号波形．因此发光信号原为负值，且强度较弱。为了方便观察，已将其转换为正值，并与驱动电压以不同坐标值显示．１６
ｊＥ峦銮亟厶堂亟±堂僮垃塞麴壁级蕴当壹佥测量丕统鲤仕途让
ＯｍＺ
Ｔｈ，∞
田１５驱动电压波形和激发光发光波形
３．３单色仪
荧光光谱仪主要由起分光作用的单色仪，以及将光信号转换为电信号的光电倍增管组成。实验室所用的ＪｏｂｉｎＹｖｏｎＦＬ３还包括了单色仪电机和狭缝的控制模块，和对光电倍增管输出的电流信号作积分、Ａ／Ｄ转换等处理的电路模块。
单色仪原理：从狭缝Ｓｌ入射近来的光（一般情况下都是含有多种波长的复合光）经过凹面镜ＭＩ变为平行光，再经过光栅Ｇ衍射色散之后，各个波长的光会被分开。经过凹面镜Ｍ２和平面镜Ｍ３的再次反射，从狭缝Ｓ２射出。其中的Ｃ为一块遮光板，防止来回折射的光路相互干扰，如图１７所示。这样，调整光栅Ｇ的角度，就能使得每一次只有一个特定的波长范围的光能够从狭缝ｓ２出射，因此不断调整光栅的角度就可以对复合光的整个波段进行扫描。此外，狭缝Ｓ２的宽窄程度决定了分辨率的高低。
田１６单色仪原理圈田１７正弦机构原理图
正弦机构是单色仪中控制光栅转动角度的机构。光栅转角和波长之间并不是线性关系，而光栅转角的正弦值和波长的变化是成正比的．利用正弦杠杆机构就１７
可以做到光栅转动时，出射光的波长按线性规律变化。如图１８所示，传动机构由以下几部分组成：螺纹柱Ａ，其与单色仪外壳平行安装；嵌套于螺纹柱Ａ之外的滑块Ｂ，其内壁有与Ａ匹配的螺纹：光栅Ｇ；连接光栅与滑块的长杆Ｌ，一端与光栅垂直地紧密相连，一端与滑块相连但能旋转。光栅的中垂线与水平线的夹角为ｎ，光栅中点与滑块的垂直距离为ｘ，则有ｓｉｎａ＝）（，Ｌ。这样，波长的选择等价于了光栅角度正弦值的选择，由于Ｌ长度固定（角度小的情况下可以忽略Ｌ的变化，大角度情况可以通过软件修正），从而等价于对ｘ的选择。螺纹柱Ａ一端连接电机，电动机带动位置固定的Ａ转动，迫使Ｂ沿Ａ上下移动，从而可以通过Ａ的旋转的方向和角度大小控制ｘ的值。最后，波长的选择就转换为了电机转动角度的选择。３．４光电倍增管
光电倍增管（ｐｈｏｔｏｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒｔｕｂｅ，ＰＭＴ）是将光信号转换为电信号的器件，具有极高的灵敏度，并且时问响应在璐量级。原理如图１９所示。其中，Ｋ为光阴极，Ｐ为阳极，ＤＹＩ～ＤＹ９为倍增电极，ＲＩ～Ｒ９为分压电阻，ＲＬ为将电流转换为电压信号的负载电阻。当光照射光阴极，光子能量＾ｐ大于光阴极的功函数时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子进入倍增系统，通过多极倍增电极的多次二次发射得到倍增放大。放大后的电子被阳极收集作为信号输出。信号输出端（阳极）一般通过负载电阻ＲＬ接地，将电流信号转换为电压信号，再通过示波器等仪器检测该信号。
≮ｌ餍俏俅ｉ
光信号ｊＫＰｊ＼ｌ＼Ｉ避幺
Ｒ２Ｒ３／＼／ｉ。≮Ｒ４Ｒ５．么髟—～＊一Ｒ９信号自出。。＼：：～，ＤＹ９‘Ｒ１
ｏ”￣＿—Ｖ¨ｏ”￣＿ｏＶ¨—～¨～…～乒０：
＠①②＠④⑤
接负高压
圈１８光电倍增警原理田⑦⑧＠接地
图１９所示的为端窗型ＰＭＴ．目前实验室采用的Ｈ锄锄ａｔｓＩＩ和Ｒ１０５都是侧窗型ＰＭＴ（参见附录Ｄ）．其特点为环形聚焦，体积小，成本低，但不像端窗型可１８
以有均匀的大面积光阴极。
ＰＭＴ有多种参数，其中静态参数主要有：光谱响应函数，窗材料种类，光照灵敏度，电流增益，阳极暗电流，温度特性等。动态参数主要有：滞后特性，电子渡越时间、阳极脉冲上升时间、电子渡越时间分散性等。
本课题的主要问题，在与高速变化的光强信号的转换和传输。ＰＭＴ的时间响应特性相对而言更加重要。电子渡越时间：脉冲入射光信号（脉冲宽度低于５０ｎｓ）入射到光阴极的时刻，与阳极输出脉冲幅度达到峰值的时刻两者之间的时间差异。阳极脉冲上升时间：全部光阴极被脉冲光信号（脉冲宽度低于５０ｎｓ）照射时，阳极输出幅度从峰值的１００，６到９００所需的时间。对于不同的脉冲入射光信号，电子渡越时间会有一些起伏。这种起伏就叫做电子渡越时间分散（ＴＴＳ）．这可能会是测量误差的来源之一，参见５．２误差来源分析。
光电倍增管（ＰＭＴ）从电路的角度来说，是一
个电流大小受控于光强的受控电流源，如图２０所
示。其输出的电流ＩｏＬｒｒ指向为ＰＭＴ提供负高压的
电压源的负极。高压电源正极接地，阳极通过ＲＬ
接地，从而形成完整的回路。田１９ＦｌＩＴ信号输出电路模型
ＰＭＴ产生的携带光强信息的，是流向地电位的电子流，也就是指向负高压端的电流。有的仪器采用专门的电流放大、电流／电压转换、Ａ／Ｄ转换电路进行检测，如ＪｏｂｉｎＹｖｏｎＦＬ３光谱仪。但ＦＬ３的电路模块不能实时测量和Ａ／Ｄ转换，所以采用数字示波器进行信号的检测和Ａ／Ｄ转换，最终得到光强和时问的关系曲线。数字示波器是试验室常用仪器，并且已经发展得十分成熟，功能强大、性能可靠。但ＰＭＴ和示波器需要信号传输线相连接，这就涉及到一个重要的问题——高频信号的传输问题。
３．５高频信号的传输
电信号的传输，按照器件尺寸和传输信号的波长之比分为集总模型，分布模型和全波模型。通常情况下，由于信号频率低，波长跟器件尺寸相比很小，采用的是集总模型。频率升高时，应采用分布模型。当频率进一步升高，就应采用全波模型，用Ｍａｘｗｅｌｌ方程分析来磁场和电场。根据本课题涉及的频率范围，应采用分布模型分析【９Ｈｌｌ】。下面进行详细讨论。
电磁场以光的速度在传输线中传播，波长为五＝ｖ／ｆ，ｆ是交流电的频率。１９
如果一个实际电路的外形尺寸和波长相比非常小（假设频率为２０ｋＨｚ，那么波长就为１５ｋｉｎ，和普通电路相比之下是非常大的），电磁波沿电路传播的时『白Ｊ几乎为０，这样就可以认为：ｌ、流入二端元件的一个段子的电流一定等于从另一端子流出的电流；２、两个端子之间的电压为单值量。满足上述两个条件的元件被称为“集总元件”。一般我们讨论的电容、电阻、电感，
甚至导线都是集总元件。而当电路尺寸与工
作波长接近时，就不能再用集总电路的概念，
而要采用分布（参数）元件的模型。这样的
情况下要借助对辐射源的Ｍａｘｗｅｌｌ方程研究
它的性能。Ｘ
常见的传输线有平行板传输线、平行双田２０理想的传输线
线、同轴电缆等。它们都采用“双线”结构，
并且双线的轴线间距离ｄ比传输的电磁波的波长短得多，即ｄ＜ｎ，否则传输线就会像天线一样向外辐射能量，电流电压这样的物理概念都会失去意义。
理想的传输线应该是无损耗均匀传输线，它要满足如下条件：导体材料、横截面形状和尺寸、相对位置及周围介质沿线都无变化（均匀），并且导体是理想导体，线『白Ｊ介质是理想介质（无损耗），并且该传输线的轴向轴向长度Ｌ可与波长九相比拟。如图２ｌ所示，两根平行理想导体构成的均匀传输线沿Ｚ轴放置，通有轴向电流，在该条件下建立关于磁场Ａ（矢量）和电场巾（标量）的麦克斯韦方程组描述传输线周围的电磁场。求解后可以得到用积分量ｕ和Ｉ表示的无损耗均匀传输线方程，又称为电报方程Ｉｓｌ。
瑟
电报方程反映了沿线电压电流的变化规律：传输系统的电压与电场、电流与磁场是相互联系的，可以不必论及电场、磁场，而把电路中电压、电流、阻抗等概念引入传输线问题，得到传输线的电路模型，如图２２所示．
１（ｚ．０Ｉ（ｚ＋ａｚ，ｔ）
圈２１长度为△ｚ的双寻体均匀传输线电路模銎
将基尔霍夫定律应用到这个电路的回路和节点，就可以得到如上的电报方程
¨Ｊ。所以，从电路的观点来看，传输线电路又称为分布参数电路。这从物理角度来看也是可以理解的：只要传输线中有电流通过，根据右手定则，就会建立磁场，所以具有电感效应ｔ而空『白Ｊ两点之间，只要有电势差的存在就会有电容效应。所以可以把传输线抽象为每单位长度上具有电感厶和电容ｃ０的模型［９１。
由于电感和电容是存储能量的元件，所以无损耗均匀传输线本身不会消耗能量，沿ｚ方向流动的功率的增量是储存在每单位长度传输线上的电场能量和磁场能量之和的减少率。再进一步根据电报方程求出传输线上的电压、电流表达式，可以得到无损均匀传输线的波动方程。
呈咄ｃｏ爹警蝴笋
其通解为：Ｂ：，。‘’
【厂（毛ｒ）＝ｃ，＋（ｆ一詈，＋ｕ一（ｒ＋詈），，（ｚ，ｒ）＝ｒ（ｆ一詈，＋，一（ｒ＋吾）
结构所决定的。ｃ，．，）其中，电压和电流之间满足如下关系：Ｕ＋／Ｉ＋＝Ｚｏ和Ｖ一／Ｉ一＝－－Ｚｏ。ｚｏ＝＆－－瓦ｏ，它反映了传输线中电压和电流的关系，被称为特性阻抗，它是由传输线的材料和
从波动方程的通解来看，电流、电压在传输线中的传播规律和无限大理想介质中传播的均匀平面电磁波，有许多相似之处。入射波Ｕ＋（ｆ一叫ｖ）和反射波Ｕ—Ｏ＋∥ｖ）可以在传输线中同时存在，分别向＋ｚ和．Ｚ方向传播。也就是说，电流电压会在传输线中以波动的形式传播。如果传输的是正弦信号，以电流为标准（光电倍增管是电流源），波动方程的通解可以进一步整理为如下形式：
肚）＝ｊ＋ｅ－ＪＰ＂＋ｉ一扩
条件，另外∥＝ｍ√厶ｃｏ，称为相位常数．＼Ｄｔｚ、＝ｚｎｉ＋ｆｉ却一ｚｎｉ—ｅＩ出。“ＪⅢ、其中，和ｊ一分别是入射和反射的电流波的复振幅，大小取决于始端和终端的
可以回想一下波动光学的波动方程，它们是非常类似的。在起始端的“源”的波动通过介质传播出去，介质中的波动和源的波动就产生了时间差，或者说相位差。其大小和波动的传播速度以及和源的距离有关．所以，“源”上的波动大小往往是时间ｔ的函数。而介质上任意一点的波动大小，就不仅和时间ｔ有关，并且和与源的距离ｚ有关，是含有两个参数ｔ和ｚ的函数。上述公式正反映了这一点。电流源或电压源产生的是入射波，但入射波沿线传输时遇到不均匀处，就会
发生反射和透射。这从物理意义上看是不难理解的。所以当传输线终端的负载的电阻值和传输线的特性阻抗乙相等时，电流源或电压源产生的功率会全部被负载消耗掉，并且不会引起反射。如果存在差异，就会引起反射波的存在，形成驻波，并且把电流源或电压源作为负载来消耗这部分能量。从而加重电流源或电压源的负担，引起信号的畸变。这些都是不希望看到的。
示波器和ＰＭＴ都采用了ＢＮＣ作为信号传输的接口，ＢＮＣ是同轴电缆的多种接口之一，应用十分广泛。目前，同轴电缆的特性阻抗有两种，一种是无线电系统采用的５０Ｑ，一种是视频信号传输采用的７５Ｑ。
总而言之，高频信号传输的关键，在于负载电阻阻抗必须与传输线特性阻抗相匹配，即相等。若使用５０Ｑ的同轴电缆，负载就应该为５０Ｑ。并且不带感抗和容抗成分。同时，信号源的内阻最好也
为５０Ｑ。这是因为限于工艺水平，同轴
电缆和负载并不一定精确为５０ｆｌ，反射
波的产生是难以避免的。采用５００的信
号源内阻，可以吸收从负载端反射回来
的反射波，避免其来回反射形成驻波，
影响信号源本身的工作和信号的传输。
了解阻抗不匹配时会产生的情况，Ｊ▲Ｖ厂］厂］厂］Ｉ广］．图２２有反射波的方波信号传播ＴｆＴ
对实验中常常出现的一些“奇怪”现象作出快速判断非常重要。在方波信号传输中，出现反射波后，会使原方波信号出现阶梯状的变形ｆ１０】，如图２３所示。作者曾在实验中观察到了该现象。在非方波信号的传输时，会出现类似的失真。图２４为不同连接方式下，示波器探测同等条件下ＰＭＴ输出信号的不同结果。翔芝二童型！。
３么＝始！．
（ａ）一｛～＼／／一、、、／—、、．．ｚ：ｆ弋ｖ，＞一：。夕一弋。。兰ｊ（ｂ）
圈２３Ｐｌｆｌ＂与示渡叠不同连接方式的测量结果２２
表４Ｐｉｌｌ＂与示波器不同连接方式的说明
信
号
Ｉ作为参考信号的ＬＥＤ驱动电压。Ｒ为示波器前端输入电阻，ＲＬ为ＰＭＴ负载电阻
信
号
２
信
号
３Ｉｌ引√韵￡｛。ｕ电ｒ呈ｊ。Ｒ设置为５０Ｑ，ＲＬ也为５０Ｑ。这样为匹配程度最高的电流信号传输，失真最小，但信号强度减中。Ｒ设置为５０Ｑ，不设凡．，这样Ｒ成为了负载电阻，相当丁二ＰＭ＇ｒ输出电流通过同轴电缆传输后，在Ｒ处Ｉ／Ｖ转换。ＰＭＴ内阻很高．故匹配程度处于中
等水平，一般性失真。
凡设置为５００，不设Ｒ，相
当丁ＰＭＴ输出电流在ＲＬ处
Ｉ／Ｖ转换后，电压信号通过同
轴电缆传输后，由输入电阻高
达ＩＭ的示波器探测，故匹配
程度最筹，火真最明显，参考
图２４（ｂ）。信号４叶斟ｒ￥一≮ｎＡ厂、Ａ粝波墨
由此可见，示波器前端输入电阻Ｒ和ＰＭＴ负载电阻ＲＬ的设置会明显影响到测量结果。但这样的失真对结果的影响程度无知。在信号强度足够的情况下，应尽量采用匹配程度最高的方案。
此外，测量脉冲信号的时候，可以不受高频测量的限制，负载电阻ＲＬ可以设置得较５０Ｑ高。但过高的负载电阻容易造成两个问题：一是ＰＭＴ阳极电压会因此被降低，如果不能满足远大于跟末极倍增电极电压的条件，将明显影响ＰＭＴ的线性工作；二是示波器具有ｐＦ量级的输入电容，会和输入电阻一起形成一阶电路，对电流源具有积分效应，因此较高的负载电阻会明显降低示波器的响应速度．
４高频信号特性
４．１高频电压信号的观测
随时了解电路各点的电压情况，对实验起着至关重要的作用。不能“看到”正确的波形，就不能对试验情况作出Ｊ下确的判断、对实验结果作出正确的预测。这样的工作一般由示波器完成，而高频信号测量，对示波器探头提出了特殊的要求。探头的地线必须短，并且要基本平行于探针¨２１。否则过长的地线与待测点构成类似环形天线的干扰路径，看到的信号将是真实信号和振荡信号的叠加。
实验室现有的和示波器ＴＤＳ５４０Ｄ配套的探头为Ｐ６１３９Ａ，其地线较长，不适合高频信号的探测。对现有进行探头改装，取下探针外的绝缘保护外壳，将地信号直接接入金属屏蔽层，缩短地线针。对长地线（ＬｏｎｇＬｉｎｅ，采用自带地线）、短地线（ＳｈｏｒｔＬｉｎｅ，金属屏蔽层）和同轴电缆直接接入示波器（ＣｏａｘｉａｌＣａｂｌｅ）的情况，分别测量晶振零负载输出信号和ＬＥＤ（４５７ｎｍ）两端的驱动电压，进行比较。其中同轴电缆直接测量的结果最接近真实曲线，但由于示波器只能接５０Ｑ的输入电阻，过低的负载影响了晶振的正常工作，测到的电压几乎减小了三分之一。
．１０４Ｏ５＇Ｏ．２ｅ毋．ｒｅｍ●Ｏ●（ａ）昌振零负载输出信号（ｂ）ＬＥＤ驱动电压
图２４长地线、短地线及同轴电缆的测试结果对比
由此可以看出，地线的长短对测量结果的影响是很大的。不同的晶振模块，内部构造不同，测试的情况也有些微的差别．总的说来，要尽量缩短地线，避免白激震荡的产生．
４．２高频电路的布线
几乎所有讲高频电路布线（高于ＩＯＭＨｚ）的资料都强调以下３点【１４】：
１．走线应粗短、尽量走直线
导线的电阻指的是在直流状态下导线对电流呈现的阻抗，而阻抗指的是交流状态下导线对电流的阻抗，这个阻抗主要是由导线的电感引起的。任何导线都有电感，其感抗为）（】ｊ２ⅡｆＬ，与导线长度和频率成正比。频率较高时，导线的阻抗将远大于直流电阻。这样，导线就不能单纯的视为不带压降的连接线，而要视作带一定阻抗、会产生压降的元件。所以应该尽量缩短走线，并采用没有引脚的贴片元件为宜。增加导线截面积可以降低阻抗，因此高频线路走线应尽量粗、短。
此外。当走线出现宽窄改变、与地线距离改变、拐弯等不均匀、出现尖锐棱角等情况，就会改变走线阻抗值，可能引起发射、反射、电磁干扰等问题。所以，高频走线应该尽量走直线，必须拐弯时采用钝角、避免锐角，用平滑的圆角图案代替尖锐的棱角图案。为了降低阻抗值，还可以用焊岛代替焊盘。
２．保证良好接地
在现代接地概念中，对于系统设计师来说，它常常是机柜或机架；对电气工程师来说，它是指安全地线或接到大地；对于线路工程师来说，“地”是指“线路电压的参考点”。“接地”的一个比较通用的定义是“接地是电流返回其源的低阻抗通道”。注意“低阻抗”和“通路”两点。
接地技术最初是为了防止电力电子设备遭雷击而采取的保护性措施，同时也是保护人身安全的一种有效手段，防止当某种原因引起的相线（如电线绝缘不良，线路老化等）和设备外壳碰触时对人生安全产生威胁。随着电子通信和其它数字领域的发展，大量设备之间信号的互连要求各设备都要有一个基准‘地’作为信号的参考地。随着电子设备的复杂化，信号频率越来越高，信号之间的互扰等电磁兼容问题越来越重要。因此，高频线路中必须保证良好接地。否则，接地不当会严重影响系统运行的可靠性和稳定性。
在低频电路中常采用一点接地，使各接地点成为回电位。在高频电路中，则由于第１点所言的导线的电感效应，应尽量将接地线的高频阻抗值降低，并且保证各元件的接地点处于同样的电位。所以通常使用大面积接地方式，如图所示。此种大面积接地对于低频电路而言，相当于在接地的各处形成回路，较容易产生电磁感应。但对于高频电路而言，则由于接地面积愈广，电感量成分愈小，电路的各接地点较易成为高频率之同电位。
此外，信号线，尤其是重要的信号线，应靠近地信号层（多层板而言），或者旁边应有并行的一两条地线，或者被地信号图案包围。这是因为高速线附近有连
续的地平面，走线的阻抗就能保持连续，如果地参考发生变化，阻抗也会发生变化，不连续的阻抗会影响到信号的完整性ｌｌ“。
３．防止电磁干扰
信号频率越高、波长越短，就越容易成为电磁波发射到空中。对于几十Ｍ］＇ＩＺ上的信号，大多应采用铜片或镀锡铁片将电路全体隔离，以防止电路内部和外部高频的耦合。在同一电路内，如有必要也需采用隔离手段防止电路内部的耦合。另外，可以在电源供给线上串连电感或磁环，并可加入去耦电容，防止高频干扰经电源线耦合。对于运算放大器等灵敏度很高的元件而言，去耦电容更是保证运放正常工作的、必不可少的元件。
但也有资料指出，在ＧＨｚ以下的情况，走线成锐角等情况的影响并不十分显著。虽然以上要点对本文涉及的频率范围影响程度未知，但还是应该尽量做到，减少返工。
４．３高频小信号的示波器检测
示波器要将一定量级范围（通常数十ｍＶ到几百Ｖ）的信号在同一个监视器中显示出来，就涉及到对信号的放大和衰减。对小信号而言，示波器的输入端是前置信号放大电路。
放大电路是一种弱电系统，具有很高的灵敏度，很容易接受电路内部一些无规则信号（噪声）的影响。如果这些噪声大小可以与有用信号相比拟，那么在放大电路的输出端，有用信号将被淹没．或者有用信号与噪声干扰难以分辨。
放大电路的噪声是各元件内部载流子的不规则运动造成的。主要有电路中的电阻热噪声和晶体管内部噪声。晶体管内部噪声除了体电阻热噪声之外，还有散弹噪声、分配噪声和ｌ／ｆ噪声。放大电路是由二级管、三极管和电阻器等元器件组成，因此是不可避免地会产生前述噪声，以及其它类型的噪声，同时还会放大输入端的噪声。避免噪声干扰的主要办法：采用低噪声元件、优化电路设计、注意布线封装等工艺水平、采用平均采样法采集数据掣”】。
本课题中由于采用了取数据一级傅立叶级数的方法，从原理上有效的减少了噪声对测量的干扰。噪声与激发光是不相干的，而提取的数据的一级傅立叶级数和激发光有相同的频率和基波分量，因此可以大大降低噪声的影响。如图２７所示，测量的原始数据为真实曲线和噪声的叠加，提取一级傅立叶级数后成为了没有其余频率噪声干扰的、光滑的正弦曲线，可以方便的提取相位差多值。
，、、ｃ口卫ｐⅢ一‘ＥｍｉｓｉｏｎａｎｄｉｔｓＩｓ沁；
ｎｍｅ，ｎｓ司㈣眦叭、一器一Ｅ山寸ｍ．ｏＤ吆●．ｏｍ咖
田２５激发光／发射光波形及其一级傅立叶级数
但放大电路还有一大问题：自激振荡。这意味着，输入端没有输入也会产生输出波形，或者产生和输入端信号无关的波形。这是因为放大电路通常采用负反馈网络来达到所需的电路特性。随着频率的增加，放大电路增益下降，同时附加的相移加大。如果在某一频率下，附加相移增加到１８０。，那么原来的负反馈将变为正反馈，如果反馈量足够大，就可能产生自激振荡，此时ＶＯＵＴ与Ｖ吖无关。
设放大电路的开环频率特性为＾渺。），反馈系数为彤。），它们和频率以及电路设计、器件的选择都有关系。当邱ｕ＞彤。户．１时，电路增益会无穷大，这意味着Ｖ州＝ｏ时，、，ｏＵＴ—ｍ，必然产生自激振荡，变成振荡器。越接近该条件，就越容易起振、越不稳定。放大电路的稳定性问题，是放大电路设计的一个重难点。图２８为Ｕ砸。）Ｉ和ＩＩ／Ｆｑｕ）ｌ的波特图。从波特图来看，它们的交点处的斜率差大于２０ｒｉｂ／ｄｅｃ就会起振（２０ｄｂ／ｄｅｅ，即（‘）每增加十倍，Ｋｑ∞耀升２０ｄｂ）。所以放大器的稳定性改进就是引入新的极点、零点，修改柳ｍ）和，Ｖｍ）的特性曲线的形状【１６１。
图２６放大电路开环增益和反馈系数波特图
在实验中发现，信号过低的情况下，示波器观察高频信号极容易振荡。在没有信号输入的情况下，示波器没有输出，所以该现象应该与信号的反馈相关．文献【１７】针对运算放大器的互阻抗放大电路应用的振荡问题，指出噪声增益决定了电路的稳定性。虽然作者认为文献【１７】的分析缺少说服力，但在实验中发现，信号强
度较高的时候（信噪比高），振荡现象不容易出现，所以该现象的确应该与噪声有关。
由此可以推测．为了避免振荡，一来要提高信号强度，降低噪声，二来要选用灵敏度高、带宽高的示波器。灵敏度高意味着放大信号的能力更强，能测量更小的信号，对信噪比的要求更低。信号放大电路的放大能力，对直流信号最强，并随着信号频率的增加而衰减。根据不同的评判标准，衰减到某一个程度时的频率点，就被称为某种带宽。其不同的定义方法在此不详细讨论。带宽更高的示波器可以保证对频率更高的信号有足够的放大能力，在高频信号的检测中自然更胜一筹。从实验情况看，示波器ＴＤＳ５４０Ｄ（Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ：５００ＭＨｚ，ＭⅣＶｅｒｉｃａｉＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ：ｌｍＶ／ｄｉｖ）的确比示波器ＴＤＳｌ０１２（Ｂａｎｄｗｉｄｔｈ：１００ＭＨｚ，ＭＩＮＶｅｒｉｅａｌＳｏｎｓｉｔｉｖｉｔｙ：２ｍＶ／ｄｉｖ）更容易得到稳定的有效信号。
可以说，测量成功的关键，就在于示波器能观察到有效的发光信号。由于对样品进行测量时，样品有可能发光强度较弱，或者发光较分散，或者照射角度不合适，就会造成进入单色仪的光强度不够，从而ＰＭＴ输出的电流信号强度明显减弱。而激发光则由于往往发光较强，方向性也较好，几乎不存在信号弱的问题。
由于发光信号的起伏是跟随于激发光的起伏的，激发光的起伏又和驱动电压同步。所以发光信号和驱动电压在时问上是相关的。示波器采用了驱动电压作为触发信号，那么在采样模式下，观察到的信号如果有效，那么它一定与驱动电压在时间上相关，从而能在示波器上观察到在时问轴上（Ｘ轴）稳定的信号。否则，即使平均模式下能得到稳定信号，也是无效的、振荡影响后的结果，据此求出的荧光寿命可能十分的离散，甚至出现负值。所以，示波器要在采样模式下观察到稳定的信号，特别是在时间轴上稳定的信号，才能算是有效信号。
５应用实例
５．１甲酚紫乙醇溶液的测量
选取甲酚紫为样品，Ｅｘｃｉｔｏｎ公司出品，产品名称ＣＲＥＳＹＬＶＩＯＬＥＴ６７０，为紫黑色粉末。将其配制为摩尔浓度为３．３Ｘ１０。ｍｏｌ／Ｌ的乙醇溶液，呈紫红色。在峰值波长４０８ｎｍ，半峰宽１３ｎｍ的ＬＥＤ照射下呈鲜艳的红色，其激发光谱如图２９和３０所示，选取６７０ｎｍ作为峰值波长进行荧光寿命测量。ⅫｍⅧ
Ｗａｖｅｌ劬帅／ｎｍｍ
图２７ＬＥＤ发光光谱
§１”
卜
＿＿Ｗ酬ｅｎｌｌｌｈ／ｎｍ口Ｍｍ＿
图２８ＬＥＤ／甲酚紫乙醇溶液激发光谱
系统采用ＴＥＫ示波器ＴＤＳ５４０Ｄ以及ＪｏｂｉｎＹｖｏｎ荧光光谱仪ＦＬ３。激发光测量时，单色仪出射狭缝宽采用Ｏ．８ｎｍ。由于ＬＥＤ亮度较强，其聚酯封装还有聚光效果，选择正确角度入射，可以使大部分光进入入射狭缝，在采样模式下也可以
探测到清晰、稳定的激发光信号，如图２９所示。
侣
一
一协＂
，、ｏＪ－ｋ
一
一
一１０ｏ仰舢”ｍ品”１”
圈２９激发、发射光波形及昌振０＜１１＿ｏ）信号
发射光由于比较分散，比色皿不具备聚光作用，进入单色仪的光较激发光而言要少得多，信号强度明显减弱。因此，开大单色仪出射狭缝为１０ｒｉｍ，并在选取最佳照射角度后，保证比色皿、光源的位置的严格固定。在采样模式下得到有效信号后，采用平均模式减小噪声干扰，取平均１２８次。重复５次测量，求得ｔ值为４．０３ｉ－０．８７璐，如图３０所示。与德国ＰｉｃｏＱｕａｎｔ公司ＴＣＰＳＣ仪器（ＦｌｕｏＴｉｍｅｌ００）测量结果４．２４ｎｓ相当。
Ｙｉｎｍ，＿
５ｎｏ∞”
田∞单次测量示倒
５．２误差来源分析
进一步分析，测量结果４．０３ｉ－０．８７岫，虽然平均值与ＦｌｕｏＴｉｍｅｌ００测量结果相当，但相对误差高达２１％。这说明仪器离实用化还有一段距离，还有很大的改进
空间。下面对各可能影响试验结果稳定性、可靠性的误差来源进行分析：
１。注意观察图２８，样品发光信号和激发光信号相比，强度很弱。对发光信
号进行稳定有效的测量对实验结果影响很大，从多次测量的实验情况来看，应该是目前最应该优先解决的问题。
２．光电倍增管、电路系统的各种噪声，由于测量方法的改进，该因素的影响
理论上可以忽略。
３．ＰＭＴ阳极脉冲上升时间典型值为２．２ｎｓ，该效应会将输入的冲击信号展宽
为上升下降时间为４．４ｎｓ的、带宽度的脉冲信号。进一步考虑到，示波器ＴＤＳ５４０Ｄ输入电容为ｌＯｐＦ，与负载电阻５００形成的ＲＣ积分电路，时间常数约为０．５ａｓ。对输入的冲击信号而言，会有指数函数形式的延迟输出。考虑到这两方面因素，如果输入为单光子的情况，示波器最终探测到的是带一定展宽的脉冲信号，它是ＰＭＴ输出信号与示波器延迟效应的卷积，
其上升下降时间约为４．４ｎｓ＋０．５ｈａ×３＝５．９ｍ。因此该方法至少能测６ｎｓ或更慢的过程。
快于该速度的ｔ测量，受这两者影响的程度未知。但由于采用的是相调制法，上述效应对激发光和样品发光同时存在，求二者的相位差，一定程度上消除了上述效应的影响。对于周期信号而言，上述效应相当于一个低通滤波系统，会减弱有效信号的强度才是它带来误差的原因。
６结论
１．本毕业设计为基于一级傅立叶级数的相调制法开发了测量荧光寿命的相关硬件，对系统各部分针对特定的应用需要，进行了详细的分析，使系统整合到最佳水平，并从硬件层面证明了该办法的有效性。
２．利用该测量原理进行测量的瓶颈问题：
①高稳定性高频调制光源；
②高频电流小信号的观测。
而对系统其它各部分详细分析，整合到最佳水平也很重要，否则很难达到测量要求。需要注意的问题如下：
＜１）ＬＥＤ波长根据样品进行选择，尽可能采用大功率ＬＥＤ；
（２）确保三极管型号、缓冲放大器参数满足需要；
（３）注意光源、样品位置，保证对单色仪的入射强度；
（４）ＰＭＴ应工作在线性区；
（５）ＰＭＴ输出端的连接方法；
（６）示波器尽可能采用高灵敏度、高带宽型号。
３．设计制作高稳定性高频调制光源。采用品振作为高稳定度信号源、以三极管作为高速开关驱动ＬＥＤ发光的办法，主要问题已基本得到解决。另外在频率调制、波长的改变、提高激发光强度、提高发射光耦合入单色仪效率的问题上，光源尚有很多改进的余地。
４．高频电流小信号的观测问鹿主要是由高频信号的传输必须采用５０欧姆阻抗以及示波器的探测灵敏度这两方面原因造成的，对其稳定有效的探测，是测量成功与否的关键。目前该问题主要靠提高发射光入射单色仪的效率来解决。
５．对甲酚紫乙醇溶液（３．３Ｘｌｆｆ３ｍｏｌ／Ｌ）进行了测量，并将结果与其它仪器相比较，证明该方法和该硬件具有有效性。但在进一步完善后，应该针对不同材料、进行大容量的样本采集，对数据进行统计分析，并与其它仪器的大容量的样本采集的统计结果相比较，才能够充分说明该测量仪器的可靠性。
参考文献
【ｌ】陆同兴．激光光谱技术原理及应用口川．中国科学技术人学出版社，２００６．
【２】ＳＵＯ２３ｈｉ－ｙｏｎｇ，ＷＥＩＸｉａｎ－ｗｅｎ，ＸＵＺｈｅｎｇ，ｅｔａ１．ＴｗｏＮｏｖｅｌＴｉｍｅＲｅｓｏｌｖｅｄＳｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ
Ｓｙｓｔｅｍｓ【Ｊ】．Ｃｈｉｎ∞ＪｏｕｒｎａｌｏｆＩｎｏｒｇａｎｉｃＣｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０００，１６（５）：４０４－４０６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
【３】＿炅克，千轶风．浅谈石英品体振荡器及其麻＿｝ｌｊ【Ｊ】．物理教学，２００５（５）：３５．３６．
【４】李德吕晶体振荡器【Ｊ１．国外电子测量技术，２００４（１）：１９．２２．
【５】李学利．石英晶体的识别、结构、Ｊ：作原理及检测方法【Ｊ】．家电检测技术＜资料ｆｉ反＞，２００６（５）：１８．
【６】石家庄博哑电子技术有限公司．如何选择晶体振荡器及各项指标【Ｊ】．电子元器件应
用，２００５（９）：２．
【７】ＷＡＮＧＹｏｎｇ－ｊｉｅ，ＺＨＡＮＧＷｅｉ・ｌｉａｎ．ＴｈｅＳｔｕｄｙｏｆＨｉｇｈ－ｓｐｅｅｄＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬＥＤｓ【Ｊ】．Ｊｏｕｍａｌ
ＯｆＨｅｂｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＯｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００５．３４（４）：６５－６８．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
【８】诸吕钤，ＬＥＤ显示屏系统原理及Ｉ：程技术【Ｍ】．成都：电子科技人学出版社，２０００．
【９】谢金明，高速数字电路设计与噪卢控制技术【Ｍ】．北京：电子工业山版社，２００３．
【１０】冯慈璋，马两奎，Ｉ：程电磁场导论【Ｍ】．北京：高等教育出版社，２０００．
【ｌｌ】邱关源，电路［Ｍ】．北京：高等教育出版社，２００１．
【１２】Ｑ１ＵＧｕａｎ－ｙｕａｎ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｉｒｃｕｉｔｓ【Ｍ】．Ｂｅｉｊｉｎｇ：ＨｉｇｈｅｒＥｄｕｃａｔｉｏｎ慨１９９９．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）
【１３】何小艇，高速脉冲技术［Ｍ】．杭州：浙江人学出版社，１９９０．
【１４】陈一敏，高频电路板线路设计【Ｊ】．电子制作，２００２，（４）：５３．
【１５】杨世成，信号放人电路【Ｍ】，北京：电子．Ｊ：业出版社，１９９５．
【１６］王泳涛，集成运算放人器实川基础【Ｍ】，北京：化学Ｉ：业出版社，１９８４．
【１７］ＴｏｎｙＷａｎｇ，ＢａｒｒｙＥｒｈｍａｎ，用直观方式补偿互阻抗放大器，ＴＩ应用报告，２００５．
附录
附录Ａ数学推导
§１万坡１ｉ号孩谮分析
方波数学表达式：
正（ｆ）为周期函数，［一詈，三］为一个周期・有
刖户１ｏ，ｏ。州吖２：
将其展开为傅立叶级数：ｆＪ，一叫２ｓｔｓＯ，
石（ｆ）＝ｉａｏ＋∑（口．ｃｏｓｔｍａｔ＋ｂ，ｓｉｎｈｏｏｔ）
口ｏ＝彳２Ｊ＿［７『，［２２Ⅲ＿ｉｆ弦＝ｌ
吒＝孑２彬ｆＴ／２－，ｌｆｉｃｏｓ蒯＝吾ｒｏｏｓ枷＝ｏ
吒＝亍２上：ｆ加／２肌．）咖蒯＝ｊ２ｆ／２ｓｉｎｎ删ｄｔ＝一去∞ｓ，ｒｏｔＴｏ／２＝－２－二－－ｃｏｓ等又因为＝ｉ／／＝２万／口ｏ＝＝＞Ｔｃｏ＝２ｒｃ，所以有
屯一去ｃｏ一
＇
当ｎ为奇数时，吒＝二：当ｎ为偶数时，吒＝Ｏ．丹石
综上，方波《ｔ）的傅立叶级数形式为：厶∽＝ｉ１＋喜去ｓｉ丑删，ｎ２２Ｊ，ｌ＋ｌ，搠ＥⅣ附录Ｂ运算放大器（缓冲放大器）ＭＡＸ４２０１
。呕驴幸ｉ因ｉ
美信ＭＡＸ４２０１：
Ｉ．双电源运放：＋５Ｖ一５Ｖ．
２．．３ｄＢ带宽：７８０１ｖ１１电；
３．Ｖｃｍ：ＶＥＥ－０．２０Ｖ－ＶＣＣ－２．２５Ｖ：
４．５．
Ｖｏｕｔ：±２．１Ｖ（ＲＬ＝５０ｎ）：
去耦电容：０．１微法＋１０微法；６．输入阻抗：５００ＬＯ；７．输出阻抗：５０１２：
用途：ＬＥＤ驱动电压监测＿【｝ｊ缓冲放大器
附录ＣＰ６２３０Ａ探头
（ａ）探针自带地线较长（ｂ）以金属屏蔽层接地
附录ＤＷＤＭｌ．１型光栅单色仪
ＷＤＭＩ—ｌ型光栅单色仪，北京光学仪器厂出品。其特点是将改变单色波长的正弦机构与光学系统隔离，以避免机械润滑油挥发污染光学件，并减少金属件表面漫反射产生的杂散光。
光学系统照片
左图，单色仪光学系统：
光栅驱动系统照片
Ｓｌ；入射狭缝；Ｓ２：出射狭缝；Ｆ．反射镜；Ｇ：全息光栅；ＭＩ、Ｍ２：凹面镜．右图，单色仪光栅驱动系统：
ｌ：光电倍增管：２：光电倍增管提供负高压电源的电源模块Ｈａｍａｍａｔａｕ（３（３１４３．１３；３；正弦传动机构ｉ４：步进机４２ＢＹＧＨｌ０７：５：步进机驱动模块。
其中４带动３的螺纹柱旋转可以使３的杠杆臂沿Ｌ滑动，从而带动光栅Ｇ旋转．
由于拍照角度的关系，Ｌ和Ｇ的连接处被遮挡．
附录Ｄ光电倍增管Ｒ１０５
特点：直径２８．５ｍｍ、九级倍增、侧窗型光电倍增管，硼硅玻壳、取碱光阴极、３００～６５０ｎｍ一般数据：光谱响应范围最人响麻波长光阴极（不透明）阴极最小有效尺寸倍增极系统结构管壳（窗）材料极间电容（近似值）阳极脉冲上升时间电子渡越时间适川管座
极限Ｉ：作条什绝对最人值：刚极与阴极间的电压平均日Ｉ极电流环境温度范围
响应特性（２５℃、１０００Ｖｄｃ）：推荐电压分配比：
Ｉ
Ｋ
１２５０ｖｄｃＯ．１ｍＡ
３００～６５０ｎｍ（Ｓ－４）
４００ｒｉｍ
双碱光阴极
２４＊８ｒａｍ
环形聚焦（９级）硼硅玻璃
Ｒｌ极与最末倍增极间４ｐｆ阿１极与所有其他电极间６ｐｆ
２．２ｎｓ２２ｎｓＥ６７８．１１Ａ
．３０。Ｃ～＋５００Ｃ
最小：２５１ｘＡＪＬｍ：典型：４０“Ａ／Ｌｍ
Ｉ
ｌ
Ｄｙｌ
Ｉ聊ｌＤ，３ｌＤｙ４ｌ聊ｌ咧ｌＤ，／７Ｉ聊ｌＤ，９ｌ
ｌ
ｌ
Ｉ
ｌ
Ｐ
ｌ
ＩＩ
ｌ
ｌ１ｌｌ
‘：阴极呀：倍增极Ｐ：阳极
Ｅ６７８．ＩＩＡ型ＰＭＴ管座
光电倍增管Ｒ１０５
附录Ｅ高压电源模块ＣＣｌ４３．１３
参数及特性
输入电压输出电压漂移控制电压控制电阻输入电流外形尺寸重量输出电流纹波｝
＋１１～＋１６０～－１５００
０．０３
Ｖｄｃ
Ｖ
ｄｃ
温度系数预热时间输出响应工作温度贮存温度输入调整负载调整外形尺寸重量
±０．０３≤３０
２００
％／℃
ＨｉｎＭｓ
Ｔｙｐ．
±％／
ｈＭａｘ．ＶｄｅＫ
Ｑ
０～５
１０５５０７７￥５４｝３０
＋５～＋４０一５～＋５０±０．０５±０．１
７７｝５４｝３０
１１０
℃℃
嘲Ｉａｘ
ｍ＾Ｍａｘ．
ｍ
ｇ
％Ｍ“
珊ｍ
“Ｏ
ｌ３０
ⅢＡＨａｘ．ｍＶ
Ｔｙｐ．
ｇ
｝注：电压使＿Ｌ｝ｊ范围＋２００Ｖ
测试条件：负载电阻２Ｍ，电压为一ｌＩＯＯＶ．测试设备输入阻抗为７５Ｍ，隔直电容０．１ｕＦ／３Ｉ（、ｒ．输山电压调整办法：用电压调整：用电阻调整：橙线～高压输出黑线～地线
红线～输入电压黄线～０～＋ＳＶｄｃ白线～悬空
橙线～高压输出黑线～地线
红线～输入电压
黄线～ＩＯＫ电位嚣（中心）
白线～ｌ傩电位器
★酬ｌ
■ｌ囊—＿Ｊ
附录Ｆ同轴电缆接口
图ｌ
图３
图ｌＢＮＣ插头、插座、三通、阴极阳极转接口、堵头。
图２ＢＮＣ高压插头。用］－－ＰＭＴ负高压供电，可以承受３０００Ｖ以内高压．由于其绝缘层较厚，需要专用的插座匹配。不能混用。
图３
ＳＭＢ插座、插头。ＳＭＢ尺寸更小，更利于高频信号传输，价格相应也更高．
作者简历
祝诗扬，女，２５岁，研究方向：荧光寿命测量。
２００５年７月毕业丁．北京交通人学光信息科学与技术．获学十学位。２００５年９月至今。就读丁｜北京交通人学光学上程专业，攻读硕士学位。发表文章情况：
论文《基下一级傅立叶级数相调制法的荧光寿命测量》审稿中，‘发光学报》，第一作者。国家发明专利《一种纳秒级荧光寿命测量＿｝ｌｊ高频调制光源／Ａ
ｍｏｄｕｌａｔｅｄ
ｌｉｇｈｔ栅＇申请中．
ｔｙｐｅ
ｏｆ
ｈｉ曲－ｆｍｑｕｅｎｃｙ
基于一级傅立叶级数相调制法的纳秒级荧光寿命测量
作者：
学位授予单位：
祝诗扬
北京交通大学
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1229883.aspx