我们通过一篇应用文章介绍了锁相相机在单粒子超快光谱上应用的优势。其优势有望推动单颗粒超快光谱技术的发展和应用。
锁相相机在单粒子超快光谱上的应用
前言
锁相相机在单粒子超快光谱研究中展现出显著优势，主要包括以下方面：
1.光谱检测的多路复用能力：锁相相机的像素阵列设计使其能够在单次测量中同步采集多个波长的瞬态信号，无需像单元件光电二极管那样逐波长进行连续测量。
2.同步捕捉多动态过程：凭借其光谱检测的多路复用能力，锁相相机能够同步捕捉单个纳米颗粒在超快激光激发后的多种动态过程。
3.高灵敏度检测：虽然锁相相机的灵敏度略低于单元件光电二极管，但已足够记录高质量的光谱分辨泵浦-探测测量数据。
4.实现时间分辨瞬态光谱的单次测量：将锁相相机集成到时间分辨瞬态透射显微镜中，实现了对单个金纳米盘瞬态透射光谱的单次测量。这种单次测量能力避免了多次测量带来的误差和时间消耗，为快速获取单颗粒时间分辨光谱提供了可能。
我们通过一篇应用文章来进一步讲解锁相相机在此应用上的优势。其优势有望推动单颗粒超快光谱技术的发展和应用。
介绍
时间分辨光谱是研究等离子体纳米颗粒超快电子动力学及后续声学与光热特性的关键手段。传统群体测量信号强，但纳米颗粒样品的固有异质性（尺寸、形状、结晶度差异）使微观动力学模型构建困难。虽有研究在选定波长检测单个纳米颗粒的时间分辨信号，但获取单个对象的时间分辨光谱仍具挑战。本文提出一种创新方法，能在单次测量中高效获取单个金纳米盘的时间分辨光谱。通过将96 MHz钛蓝宝石振荡器输出频率调制至8 kHz，利用锁相像素阵列相机检测光子晶体光纤产生的白光连续谱探针在传输中的光诱导变化，获得了单个金纳米盘的宽带飞秒传输光谱。该锁相相机与单元件光电二极管灵敏度相当，但凭借光谱检测的多路复用能力，成功同步捕捉了单个金纳米盘在超快激光激发后的电子动力学与声学振动特征。
时间分辨技术对理解nm材料光学特性的内在机制至关重要。通过追踪飞秒级时间尺度的光激发后光学行为，能解析光激发载流子的超快动力学（平衡、扩散）及后续机械和热效应。常用的瞬态吸收/消光光谱和二维超快光谱等计时分辨方法，已为生物材料、有机晶体及纳米颗粒等体系提供大量信息。但当材料特性受颗粒形态或局部环境异质性影响时，需单颗粒测量才能完全解析其光激发动力学。
对单个纳米颗粒进行时间分辨光谱分析的主要实验挑战在于不同探测波长范围内信号强度不足。集合体测量常用千赫兹量级飞秒激光源，通过松散聚焦和光谱仪耦合的ccd/cmos探测器检测信号。单颗粒测量则需显微物镜聚焦至衍射极限光斑以增强信号，但强度仍过低，需预放大光电二极管/光电倍增管结合锁相放大技术，并使用>1 MHz高重复频率激光器提升效能。然而，单个光电二极管每次仅能捕获单一探测波长，连续测量不同波长耗时且易受光源波动影响，亟需新方法推动单纳米颗粒超快光谱技术发展。
为应对此挑战，我们将像素阵列锁相相机集成到时间分辨瞬态透射显微镜，首次实现单个金纳米盘（AuND）瞬态透射光谱的单次测量。该相机每个像素单元结合光电二极管与锁相放大器，能高灵敏度检测光谱分散探针光束的瞬态消光信号。据我们所知，像素阵列锁相相机此前仅用于块体材料，尚未用于单个纳米颗粒。我们首次证明其能测量单个AuND的瞬态透射信号，并通过与传统光电二极管检测结果对比验证了技术有效性。zui后，证明该锁相相机方法可在单次测量中获得单个AuND的时间分辨瞬态光谱，实现对其在多波长下电子动力学与声学振动的同步观测。
实验方法
采用电子束光刻技术（EBL）在玻璃基底上制备了直径分别为120nm和140nm、厚度35nm、颗粒间距10µm的双层金纳米点阵列。具体制备过程可以找我们索取，具体应用是用了无掩膜光刻机。（联系方式：sherry.xu@shbrightstars.com ）
结果与讨论
单粒子瞬态透射成像与光谱分析采用自制实验装置完成，如图1A所示。实验使用7W 532nm连续波激光器（CoherentVerdiG10）驱动钛蓝宝石振荡器（KMLabsGriffin-10），产生重复频率96MHz、中心波长800nm的约100fs脉冲。基础800nm输出光被分为两路：一束通过β型硼酸钡晶体（AltosBBO-1004H）二次谐波生成倍频至400nm，另一束则导入非线性光子晶体光纤（NKT-Photonics-FemtoWHITE800），在zui高泵浦功率下产生波长范围约550nm的白光连续谱，其波长范围超出本实验所用硅基探测器的灵敏度范围。400nm光束作为泵浦光激发金原子的带间跃迁。探测光束选用550-800nm范围内的白光连续谱部分，并采用基础800nm光束作为对比光源，因其具有更高的强度稳定性。通过短通滤光片消除了白光连续谱中大于800nm的较长波长。探针光束路径中的光学延迟级（NewportUTS150CC）控制了泵浦与探针脉冲的时间重叠，泵浦信号通过光学斩波器（NewportModel3502）以8kHz调制。泵浦与探针光束通过二向色镜重新组合，并通过油浸物镜（ZeissPlan-Apochromat63×,1.4NA）将光束聚焦于样品。光由接收物镜（ZeissLDAchroplan40×,0.6NA）以透射几何方式收集，长通滤光片在探测探针前滤除泵浦光。样品处的光束能量密度约为：泵浦光4.38×104W/cm2，白光连续谱探针1.4×105W/cm2，白光探针0.7×105W/cm2对于800nm基频探针，采用刀口法测量的光束尺寸在250至500nm范围内变化（图s1）。对于同一金纳米颗粒（AuND），可交替使用标准单元素光电二极管或锁相相机进行检测。
图1：(A)光学装置示意图。详见正文。红线：800nm探测器；蓝线400nm泵浦光；彩虹色线：白光连续谱探测器。Bs：分束器；BBO：β-硼酸钡晶体；FM：翻转镜；M：反射镜；D\M：二向色镜；O：物镜；BP：带通滤波器；LP：长通滤波器；L：透镜。需注意泵浦光与探测光的光路仅用于可视化目的存在空间位移。(B)使用400nm泵浦光和800nm探测光时，20µm×20µm瞬态透射图像显示了包含120nm（左）和140nm（右）金纳米点阵列的2×2阵列。点扩散函数的拉长形态是由于沿垂直方向快速扫描造成的伪影，如单个120nm金纳米点的1×1µm放大图像(C)所示。对应的线轮廓见(D)，测得FWHM约为270nm。(E)使用全白光连续谱作为探测光时，120nm金纳米纳米点的1×1µm图像。对应的线轮廓见(F)，测得FWHM约为250nm。(B)至(F)中所有强度值均已归一化。(G)800nm探测光的典型光谱。(H)白光连续谱探测光的示例光谱。需注意通过增强注入光纤的800nm激光功率可增加光谱宽度。但为zui小化图4数据中的强度波动，本研究选择较窄的光谱宽度。
通过这种实验设置，我们实现了单个金纳米盘（AuNDs）的衍射极限成像（图1B）。实验中采用压电纳米定位台（PhysikInstrumenteP-517.3CL）对样品进行光栅扫描，同时使共聚焦泵浦光束与探测光束在空间和时间上重叠，从而在瞬态透射图像中观察到金纳米盘。图1B展示了2×2阵列的典型瞬态透射图像，其中左列和右列分别包含120nm和140nm的金纳米盘。为更准确表征点扩散函数，图1C展示了仅使用400nm和800nm作为泵浦光束和探测光束时，单个120nm金纳米盘的光栅扫描图像。沿水平轴在zui大信号处的线轮廓（图1D）显示其半高全宽（FWHM）约为270nm，符合衍射极限分辨率要求。使用全白光连续谱探测器时的对应图像及线截面分别展示于图1E和图1F。在此情况下，我们测得的FWHM约为250nm，考虑到探针波长峰值接近650nm，这再次与衍射极限成像相一致。
在瞬态传输成像实验中（如图1B-D所示），我们采用了一款光电二极管（FemtoDH-PCA-100-F），该器件连接至锁相放大器。锁相放大器以泵浦光束调制频率作为参考输入进行信号解调，输出泵浦诱导的传输信号ΔT。ΔT通过数据采集板进行数字化采集，使用定制LabVIEW程序采集数据，并通过MATLAB软件处理。为确定泵浦关闭时的参考传输信号，将光电二极管信号与激光重复频率同步参考，实现实时归一化处理，从而记录归一化后的瞬态传输差值ΔT/T。
相比之下，针对单个金纳米棒（AuNDs）的瞬态透射光谱研究，我们设计并搭建了一套基于透射光栅的光谱仪系统。该系统采用300毫米线密度的光栅结构和17.5°的闪耀角（EdmundOptics产品编号#49579），将探测光束光谱分散至像素阵列锁相相机（Heliotis heliCamC3）。透射光栅与锁相相机之间配置了焦距100毫米的物镜。该相机采用300×300像素阵列设计，每个像素均具备锁相功能和模数转换能力。通过将光谱分散至像素阵列，可利用高重复频率飞秒振荡器实现多波长ΔT同步采集。为提取瞬态透射信号，将8KHz的泵浦调制频率与锁相相机同步。图S2展示了探测光束波长校准及时间啁啾校正的详细过程。每个采集帧均通过积分技术获取。
在超过160个循环后，zui终输出信号通过80帧的平均处理以获得高信噪比（SNR）。锁相相机还可切换至强度模式，无需泵浦即可获取透射光谱。这些光谱用于校正探测光束的强度分布。图1G和1H展示了基础800nm脉冲与白光连续谱探测光的典型光谱分布。
为比较锁相相机与单元素光电二极管的性能差异，我们首先使用800nm探测光对140nm金纳米棒（AuND）进行了瞬态透射测量。图2A展示了所选金纳米棒的动态光谱（DFS）和扫描电镜（SEM）图像。SEM分析证实其直径为137nm，与样品设计预期尺寸接近。由于DFS谱峰出现在700nm处，800nm探测光束记录的是等离子体共振低能区的动态过程。图2B呈现了通过将单个金纳米棒置于重叠泵浦光与探测光焦点处，并扫描两束光之间的时间延迟，利用光电二极管记录的ΔT/T时间瞬态。与先前单金纳米棒的瞬态透射测量结果一致，数据显示仪器限制的快速上升透射率源于等离子体漂白效应——该效应由热电子分布的产生引发，随后由于电子-声子耦合作用导致信号在皮秒内衰减，并伴随基底材料的缓慢热平衡过程。
图2：(A)140nm金纳米棒（AuND）的动态荧光光谱（DFS），插图中附有对应的扫描电子显微镜（SEM）图像（比例尺=100nm）。(B)同一AuND的瞬态透射光谱，采用每延迟步长600ms的积分时间进行测量。信噪比（SNR）计算方法为：zui大信号值减去零延迟时间前的偏移信号值，并除以偏移信号的标准差。插图：通过傅里叶变换获得的功率谱瞬态传输的振荡部分，产生13.0GHz的声学模式频率。(C)通过减去指数拟合（黑色）从B数据中分离出的声学振荡信号。该信号被拟合为阻尼指数衰减（公式 1，红色）。
为将此瞬态信号与锁相相机记录的信号进行对比，我们首先聚焦于后者衰减成分。该成分因电子与金属声子浴耦合时，脉冲加热激发声学模式而产生调制。这些声学振荡作为时间瞬态的残余信号被分离出来，其过程是通过从数据中减去指数衰减函数（仅考虑延迟时间大于20ps的情况）后获得的。这些振荡可用品质因数Q描述，其定义为Q=πτv，其中v为振荡频率，τ为阻尼时间。图2C展示了单个140nm金纳米棒（黑色）的声学模式，以及采用阻尼余弦函数拟合的结果（红色），其数学表达式为：
此处，t表示泵浦与探测之间的延迟时间，φ代表振荡相位。振荡频率（从声学振荡的傅里叶变换中提取，见图2B插图）为13.0GHz，而余弦函数拟合得到的阻尼时间为456ps。因此，品质因数为18.6，与先前的研究结果高度一致，更多实验与分析细节可以联系我们获取。
在相同激发条件下，对同一单个140nm金纳米棒（AuND）进行光谱分散800nm探针的锁定相机检测，获得了非常相似的质量因子和整体性能。图3A展示了400nm激发后收集的AuND的波长分辨瞬态透射动力学。声学模式在时间-依赖瞬态光谱，尽管锁相相机相比光电二极管提供了额外的光谱信息优势，但本文首先聚焦于比较两种探测器在单一波长下的灵敏度。为进行此类直接比较，图3A中的瞬态透射率在整个800nm基频光谱宽度上进行了平均（图3B），并分离了振荡分量（图3C），如上所述。对等式1进行拟合并对数据进行傅里叶变换后，得到频率为12.9GHz、阻尼时间为381ps，由此计算出q因子为15.5，与单元件光电二极管获得的结果（图2）高度一致。现在比较图2B和图3B中轨迹的信噪比（SNR），我们分别测得295和185。然而积分时间不同：光电二极管和锁相相机分别采用0.6秒和3.2秒的延迟步长。综合考虑信噪比和积分时间，锁相相机检测的灵敏度（即SNR/√积分时间）比光电二极管低约3.7倍。仅对中心波长为800nm的探针脉冲进行20nm光谱积分时，该因子仅略微降至4.5。尽管锁相相机的灵敏度略低于光电二极管，但我们注意到其足以记录高质量的光谱分辨泵浦-探测测量数据，例如单粒子瞬态吸收等。
图3：(A)与图2所示相同金纳米棒（AuND）的瞬态透射光谱，采用锁相相机分别以400nm和800nm脉冲作为泵浦和探测光进行测量。(B)通过在每个泵浦-探测延迟时间点对800nm探测光的整个光谱宽度进行积分，从(A)图光谱生成的瞬态透射光谱。每个延迟步长的积分时间为3.2秒。插图：通过傅里叶变换获得的振荡部分功率谱瞬态传输，产生12.9GHz的声学模式频率。(C)通过减去指数拟合（黑色）从B数据中分离出的声学振荡信号。该信号被拟合为阻尼指数衰减（公式 1，红色）。
通过切换至白光连续谱探测模式，我们利用锁相相机与高重复率飞秒振荡器的组合技术，成功测量了单个纳米颗粒的完整瞬态透射光谱，同时解析了单个120nm金纳米棒（AuND）的初始电子弛豫动力学和声学振动特性（图4）。图4A展示了单个AuND的瞬态透射光谱随泵浦-探测延迟时间的变化曲线。这些光谱经过校正处理，包括探测光强度和相机量子效率的波长依赖性变化、探测脉冲啁啾效应（图S2），以及通过从各波长通道中减去负泵浦-探测时间延迟测量信号消除的静态背景干扰。zui大瞬态透射值出现在650-700nm波长区间，该范围与120nmAuND的等离子体共振峰位置高度吻合，这一结论已通过对应的动态光谱（DFS）得到验证（图S3）。图4B展示了120nm金纳米棒的单粒子瞬态透射光谱，该数据是基于1至5皮秒初始电子-声子弛豫动力学过程的平均值，同时考虑了通过锁相放大器获得的不同探测波长下的相位信息（图S4）。与先前多项系综瞬态消光测量结果高度吻合，我们观察到在局域表面等离子体共振峰附近存在光致漂白现象，且在共振翼区出现诱导吸收。这种谱线形态源于光吸收后纳米颗粒电子温度升高导致的等离子体光谱展宽。
除了光谱信息外，锁相相机装置的主要优势还在于能够实时获取不同波长下的动态变化，这在120nm金纳米棒的声学振动（图4C）和电子-声子弛豫（图4D）中得到了充分体现。通过分析发现，600nm和650nm处的声学振荡呈现反相位，其振荡频率分别为14.5GHz和14.4GHz（图4C）。这些结果与瞬态透射光谱中观察到的相位变化一致，该相位变化源于声学呼吸模式引起的粒子体积变化导致的周期性等离子体共振位移。选择800nm基频作为探测波长，因其稳定性更高且信噪比提升，证实了另一颗120nm金纳米棒的振荡频率为14.2GHz（图S4）。将研究重点转向初始20ps的泵浦-探测延迟时间，图4D显示短波长和长波长探测时的等离子体漂白与诱导吸收具有相同的衰减时间。这一观察结果表明，电子-声子弛豫与探测波长无关，反映了热电子分布的冷却过程，从而导致瞬态等离子体阻尼。这些结果与金纳米球的系综瞬态吸收光谱研究结果一致，其中发现测量的电子-声子弛豫时间仅取决于电子温度的升高。
图4：(A)使用白光连续谱作为探测器、锁相相机作为检测器时，单个120nm金纳米棒（AuND）的时间分辨瞬态透射特性。信号已校正脉冲啁啾及背景预零时偏移。(B)从(A)数据中提取的泵浦-探测延迟时间1至5ps范围内瞬态透射光谱的平均值，同时考虑了图S4中整合的信号相位。(c)声学振荡适用于中心波长分别为600nm和650nm的两种不同探测波长的等式1，平均值取自20nm的光谱窗口。振荡相位相反，与(B)中观察到的瞬态透射变化符号一致。(D)短时超快瞬态动力学探测电子-声子弛豫，同时在四个不同探测波长。每个数据轨迹通过在(A)中以各列示探测波长为中心的20nm光谱窗口内平均瞬态透射率构建。指数拟合（为清晰起见未显示）得出电子-声子弛豫时间 τe-ph=1.5±0.2ps。每个延迟步长的积分时间为 3.2s。
尽管锁相相机的灵敏度略低于单元素探测器，但其通过实现数百纳米宽波长范围内时间分辨动态的同步记录，提供了关键优势。与仅在固定波长下成像不同。
总结
在波长研究领域，我们的成果充分展现了锁相相机的卓越潜力——通过实验证明，如今已能利用兆赫兹重复频率的超快激光实现单个纳米颗粒的光谱分析。需要特别说明的是，尽管锁相相机采用二维像素阵列设计，但本研究仅使用了单行像素。未来若能实现全芯片锁相成像技术，将如同高光谱成像般支持对多个纳米颗粒进行同步光谱分析。通过进一步提升白光连续谱的稳定性、实时校正能力以及直接测量相位信息的技术，锁相相机在单颗粒超快光谱分析领域的应用潜力将得到显著拓展。zui后需要指出的是，虽然本研究展示了专为单颗粒瞬态消光光谱分析设计的锁相相机实施方案，但该技术原理上可广泛应用于各类单颗粒泵浦-探测调制光谱分析或宽场成像场景。
了解更多高速锁相相机详情，请访问上海昊量光电的官方网页：
https://www.auniontech.com/details-1798.html
参考文献
Subhasis Adhikari, Niklas Gross, Kelly S. Wilson, Ojasvi Verma, Zhenyang Jia, Christy F. Landes, Sean T. Roberts, Stephan Link*,1,2,6,7,On-chip Lock-in Detection for Ultrafast spectroscopy of Single Particles，
欢迎直接联系昊量光电
关于昊量光电：
上海昊量光电设备有限公司凭借强大的本地化销售网络与专业技术支持团队，长期服务于国内数以万计工业及科研客户，涵盖半导体、生物医疗、量子科技、精密制造、生物显微、物联传感、材料加工、光通讯等前沿领域。
昊量光电拥有的专家级的软硬件开发团队及丰富的行业应用经验，可提供：
✅ 全天候售后技术支持——快速响应，确保设备稳定运行；
✅ 定制化解决方案——从售前咨询到安装，培训，系统集成等，满足多样化需求；
✅ 客户高度认可——服务案例覆盖众多头部企业及高端科研机构，客户满意度持续居前列。
您可以通过我们昊量光电的官方网站www.auniontech.com了解更多的产品信息，或直接来电咨询4006-888-532。
展示全部 
