飞秒时间分辨光谱技术及超快光子学新材料研究
材料表征新方法探索
材料表征新方法探索材料表征是研究材料性能和结构的核心工作之一。
传统的材料表征方法包括X射线衍射、扫描电子显微镜等，已经在科学研究和工业生产中发挥了重要作用。
然而，随着科学技术的不断进步，人们对于材料表征方法的要求也越来越高。
在现代科学研究和技术发展的背景下，探索新的材料表征方法是一个迫切的需求。
本文将介绍几种新兴的材料表征方法，并探讨其在材料科学领域的应用前景。
一、原子力显微镜（AFM）原子力显微镜是一种基于原子力相互作用的表征方法。
它通过在材料表面扫描探针的运动来研究材料的形貌和物性。
与传统的电子显微镜相比，原子力显微镜具有更高的分辨率和更广泛的适应性。
它可以在真空或液体环境下进行观测，并且可以进行纳米尺度的力学测试。
原子力显微镜的应用前景非常广阔。
在材料科学领域，它可以用于表征纳米材料的结构和性能，比如碳纳米管、石墨烯等。
它还可以用于研究材料的力学性能，如弹性模量、硬度等。
此外，原子力显微镜还可以与其他材料表征技术相结合，如光谱学、电子显微镜等，为研究人员提供更全面的信息。
二、时间分辨拉曼光谱传统的拉曼光谱是一种非常有用的材料表征方法，可以用于研究材料的结构、振动和光学性质。
然而，传统的拉曼光谱通常只提供材料的静态信息，对于材料的动态演化很难进行研究。
时间分辨拉曼光谱是一种新兴的表征方法，可以在纳秒或飞秒时间尺度内研究材料的动态行为。
它通过激光脉冲的照射来激发材料，并通过测量样品发射的拉曼光来获得信息。
时间分辨拉曼光谱可以研究材料的激发态、载流子动力学、光生电荷转移等动态过程。
时间分辨拉曼光谱在材料科学中具有广泛的应用前景。
它可以用于研究光催化材料的光生电化学过程，开发新型光电器件等。
此外，时间分辨拉曼光谱还可以与其他材料表征方法相结合，如透射电子显微镜、X射线吸收光谱等，提供更全面的信息。
三、场发射显微镜（FEM）场发射显微镜是一种新兴的表征方法，可以用于研究材料的电子结构和电子传输性质。
飞秒超快光谱技术及其互补使用
飞秒超快光谱技术及其互补使用乔自文;高炳荣;陈岐岱;王海宇;王雷【摘要】Ultrafast spectroscopy techniques are powerful tools for exploring the excited-state processes of ma-terials.In this paper, we introduced femtosecond time-resolved fluorescence technique and femtosecond pump-probe technique in detail , including the fundamental principles of systems , optical paths and data processing metheds, as well as the advantage and disadvantage in different implemental schemes .At last, in order to re-veal the complementary role , we provided an example in which the scientific problems were solved comprehen-sively and reliably by combinative usage of the two systems .%超快光谱技术是研究物质激发态过程的重要手段，本文对飞秒时间分辨荧光技术和飞秒泵浦探测技术这两个重要的超快光谱技术进行了详细介绍，阐述了系统的原理、光路及数据处理方法，给出了不同的实现方法并比较了其优缺点。
最后通过一个实例说明这两个技术的互补性，通过结合使用两个系统，能够对科学问题进行更全面可靠的研究。
【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2014(000)004【总页数】12页(P588-599)【关键词】超快光谱;荧光上转换;泵浦探测【作者】乔自文;高炳荣;陈岐岱;王海宇;王雷【作者单位】吉林省电子信息产品监督检验研究院，吉林长春130021;吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点联合实验室，吉林长春130012;吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点联合实验室，吉林长春130012;吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点联合实验室，吉林长春130012;吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点联合实验室，吉林长春130012【正文语种】中文【中图分类】TN2491 引言分子原子中发生的大多数光物理过程都具有一定的时间尺度，比如原子核的运动，化学键的扭转等发生在飞秒到皮秒时间范围内，电荷分离和转移、能量传递等可发生在飞秒到纳秒时间尺度上，发光材料的荧光寿命一般在纳秒量级，生物中某些特殊的生理功能如捕光、储能等过程都发生在不同的时间尺度上。
超快时间分辨光学光谱技术
超快时间分辨光学光谱技术是一种非常先进和专业的技术，是凝聚态物理学和相关研究领域的重要工具。
该技术采用超快激光脉冲的方法，通过对光子能量的调节和控制，对电子、晶格、自旋、自由载流子等物理过程进行最快速度的采样和监测，得到了高精度、高分辨率的光谱数据。
可以对物理学研究中的一些关键问题进行深入探索，例如，固体中的电子激发、电子和晶格相互作用、半导体和金属中的输运等。
同时，该技术在新材料、先进器件、生命科学、可再生能源等领域也有广泛应用和研究。
在中，实验室通常采用飞秒激光器进行光学激发，然后使用高速探测器进行光学信号采集。
该方法在研究光子与物质相互作用过程的同时，还可以对光学信号进行时间分辨并进行分析。
通过这种方法，可以探测到纳秒、皮秒、甚至是飞秒时间尺度内的物理过程。
在材料和器件研究中有很广泛的应用。
例如，在能源领域，该技术被用于对太阳能电池材料中的电子激发和电荷传输的研究；在生物医学领域，该技术被用于研究蛋白质功能和活性相关的光物理学过程；在新型材料开发和制备中，该技术被用于研究材料中的光学性质和动力学反应等。
除了上述应用领域之外，还有其他一些特殊的应用。
例如，在量子信息和量子计算领域，该技术被用来研究量子态的制备和操控；在凝聚态物理学研究中，该技术被用于研究超导和量子纠缠等现象。
当然，也存在一些挑战和局限性。
要使用该技术，在实验中需要使用到精密的设备和高昂的成本。
因此，将应用于其它领域时，成本和准确性是需要考虑的因素之一。
此外，该技术的应用范围和研究深度较为狭窄，存在一定的技术门槛。
总之，在当前物理学领域中担当着非常重要的角色。
该技术的开发和应用为物理学和其他学科领域的研究提供了新思路、新方法和新技术，有望在未来的科学研究中取得更加重要的成果。
时间分辨光谱学
多维度、多模态 测量技术的发展
未来时间分辨光谱学将更加 注重多维度、多模态测量技 术的发展，如结合空间分辨 、能量分辨等技术，实现更 全面、更深入的物质结构和 动力学信息获取。
研究现状
目前，时间分辨光谱学已经广泛应用于化学、物理、生 物等领域的研究。在化学领域，时间分辨光谱学被用于 研究化学反应动力学、分子结构和化学键等；在物理领 域，时间分辨光谱学被用于研究材料的光学性质、电子 结构和自旋动力学等；在生物领域，时间分辨光谱学被 用于研究生物大分子的结构和功能、细胞代谢和信号传 导等。同时，随着新技术的不断涌现，时间分辨光谱学 的研究方法和手段也在不断更新和完善。
超快过程概述及意义
超快过程定义
发生在极短时间尺度（如飞秒、 皮秒等）内的物理、化学或生物 过程。
研究意义
揭示微观粒子间的相互作用机制 ，理解物质的基本性质和能量转 换过程。
飞秒激光脉冲技术
飞秒激光产生原理
利用锁模技术或克尔透镜锁模技术，实现激光脉冲的极短脉宽输 出。
飞秒激光特点
脉宽极短、峰值功率极高、光谱范围宽。
时间尺度
从纳秒到毫秒，甚至更长 的时间范围。
光谱特性
包括吸收、发射、散射等 光谱现象。
研究目的和意义
揭示物质动态过程
通过研究物质在不同时间尺度上的光谱变化，可以揭示其内部结 构和动力学过程的详细信息。
拓展光谱学应用领域
时间分辨光谱学为化学、物理、生物等领域的研究提供了新的方法 和手段，推动了相关学科的发展。
生物成像
利用磷光材料的长余辉特性，可实现无背景干扰的生物成像，提 高成像对比度和分辨率。
超快光学技术的使用教程
超快光学技术的使用教程光学技术在当今科技领域中扮演着重要的角色，而超快光学技术则是其中的一项重要技术。
超快光学技术使用飞秒激光器作为光源，研究物质的超快动态过程。
本文将分享一些超快光学技术的使用教程，帮助读者了解如何使用这项技术进行研究。
1. 实验准备在进行超快光学实验之前，你需要准备一些实验设备和材料。
首先，你需要飞秒激光器，这是超快光学实验的核心设备。
你还需要选择合适的样品，这取决于你要研究的物质。
另外，还需要光学系统、探测器等设备来收集和分析实验数据。
2. 编排实验流程在进行超快光学实验之前，你需要编排一个实验流程，确定实验的步骤和顺序。
根据你的研究目的，决定使用何种技术和方法。
例如，你可以选择时间分辨光谱技术来研究物质的光谱变化，或者选择时间解析成像技术来观察物质的超快动态过程。
确定实验流程后，务必将每个步骤详细记录下来，以便于后续复现和分析实验结果。
3. 调试和校准设备在开始实验之前，需要对实验设备进行调试和校准。
首先，确保飞秒激光器的输出稳定，并调整激光能量和聚焦位置等参数。
同时，校准光学系统和探测器，保证其正常工作并具有良好的性能。
这一步骤非常重要，因为设备的良好调试和校准将直接影响实验结果的可靠性和准确性。
4. 数据采集和处理当实验设备调试完毕后，就可以开始进行数据采集和处理。
在实验过程中，使用相应的探测器收集激光与物质相互作用产生的信号。
根据实验流程录取得的数据，可以使用信号处理方法进行数据处理和分析。
常见的信号处理方法包括傅里叶变换、滤波等，可以提取出感兴趣的信号成分。
得到的数据可以用图形或其他方式进行展示和呈现，以便于理解和讨论。
5. 结果解释和讨论在得到实验结果后，需要对实验结果进行解释和讨论。
根据实验目的和研究问题，分析结果的含义和物理机制。
将实验结果与已有的理论或研究成果进行比对和验证，得出结论并进行讨论。
同时，还可以针对实验结果提出新的问题和展望，为进一步研究提供思路和方向。
时间分辨飞秒相干光谱技术的发展与展望
物质 的瞬态 相 干作用 。 当激光 与共振 介质 的相互作 用 时间小 于 介质 的纵向和横 向驰 豫 时间时 ， 介质 中就会 出现 一 系列有趣 的瞬态 现象 ， 它起 因于共 振介质 对脉
冲相 干激 发的 瞬态 响应 。 瞬态 相 干效 应 是粒子 的记忆
行为， 入射 相干光 脉 冲把共振 介质 中 的粒 子激发 到相
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光 电 芋 ・ 光 嫩
第 １卷 ３
第１ 期
２０ 年 １ ０２ 月
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时 间分 辨 飞 秒 相 干光 谱 技 术 的 发 展 与展 望
王 维 江 。 ，桑海 宇
（． 山 大学 超 快 速 激 光 光 谱 学 国家 重 点 实验 室 ． 东 广 州 ５０ ７ ； ． 东 工 业 大 学 应 用 物 理 系 ， 东 广 州 ５ ０９ ） １中 广 １２ ５ ２ 广 广 １ ０ ０
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时间分辨光谱学的原理与应用
时间分辨光谱学的原理与应用时间分辨光谱学是一种在物理学和材料科学等领域中广泛应用的技术，能够通过探测时间上的细微差异来揭示物质的动态变化和内在机制。
本文将介绍时间分辨光谱学的原理和应用。
一、原理时间分辨光谱学利用光子学中的跃迁研究物质的动态变化。
物质在受到光的激发时会发生跃迁，从一个能级跃迁到另一个能级，产生吸收和发射光谱。
时间分辨光谱学则是通过测量这些光子的发射和吸收时间，来研究物质的动态变化。
其中，最基本的时间分辨光谱学技术包括荧光寿命测量和飞秒光谱学。
荧光寿命测量是一种基于荧光现象的时间分辨光谱学技术。
当电子在分子内进行跃迁时，会产生一个激发态，这个激发态会在很短的时间内发出光子而回到基态，这个过程被称为荧光。
荧光寿命即为荧光的持续时间。
通过测量荧光寿命，可以了解物质的分子构造、分子结构中电子的位置以及电子的动力学行为等信息。
飞秒光谱学则是一种基于飞秒激光的时间分辨光谱学技术。
飞秒激光是一种超短脉冲激光，其时间尺度在飞秒（1秒之万亿分之一）级别。
当飞秒激光与物质相互作用时，会对物质进行非线性响应，产生与时间有关的谱响应。
通过测量这些谱响应，就可以了解物质的光谱特性和其动态变化过程。
二、应用时间分辨光谱学在材料科学、光电子学、化学等领域中都有着广泛的应用。
1. 材料科学时间分辨光谱学被广泛应用于材料科学中，可以帮助科学家研究材料中的动态过程。
例如，通过荧光寿命测量，可以了解荧光物质在水溶液中的状况，从而寻找一些有效的应用方法。
而通过飞秒光谱学，可以了解材料的激发和电荷传输过程，以及材料的电子能带结构，有助于材料设计和制备。
2. 光电子学时间分辨光谱学在光电子学中同样有非常重要的应用，例如超快光学，涉及到飞秒光谱学和干涉调制等技术，能够实现光子背景的精确计算、调制和控制。
这些技术被广泛应用于材料和光电器件的制造。
通过超快光学技术，也可以实现超快速度的光通信和计算等领域。
3. 化学时间分辨光谱学在化学领域中也有广泛应用。
超快激光光谱学的原理与技术
超快激光光谱学的原理与技术超快激光光谱学（Ultrafast Laser Spectroscopy）是一种利用超快激光技术来研究物质的光学和电子过程的分析方法。
它通过测量物质对短脉冲激光的响应来获得信息，可以提供非常高的时间分辨率以及精确的光谱特性。
本文将介绍超快激光光谱学的原理和常用的技术。
超快激光的原理主要基于激光脉冲的特性。
超快激光是指激光脉冲的时间尺度在飞秒（10^-15秒）或皮秒（10^-12秒）级别，这使得我们能够观察和研究材料中发生的非常快的过程。
超快激光通常由飞秒激光器产生，其光谱范围可以覆盖从紫外到红外的波长。
超快激光光谱学的核心技术是时间分辨光谱测量。
其中最基本的方法是通过脉冲延迟线来控制两个光束之间的时间差，并利用这个时间差来研究样品对光的响应。
这种方法称为傅里叶变换光学相干光谱学（FT-CARS）。
在实验过程中，我们通常将样品暴露在一个脉冲激光束中，并在另一个激光束中引入一个延迟。
然后，通过探测两束光的相互作用，我们可以测量样品中的光谱特征。
1.傅里叶变换红外光谱学（FTIR）：通过将样品暴露在一个连续的宽带红外光源下，并测量样品在不同频率上的吸收或散射，来获得材料的红外光谱信息。
这种方法可以提供非常高的分辨率和灵敏度，并且可以用于研究材料的振动和转动运动。
2. 顺应性光谱学（Transient Absorption Spectroscopy）：通过测量材料对短脉冲激光的吸收或透射来研究光吸收过程。
当样品吸收光子并进入激发态时，会出现吸收峰或谱线。
通过测量光线通过样品前后的强度差异，可以获得激发态的寿命、能级结构和激发态之间的相互作用等信息。
3. 闪烁光谱学（Fluorescence Spectroscopy）：测量样品在激发态向基态跃迁时所发射的荧光光谱。
该方法可以用于研究材料的激发态寿命、荧光发射强度以及能级结构。
常用的技术包括时间分辨荧光光谱法（Time-Resolved Fluorescence Spectroscopy）和荧光相关光谱学（Fluorescence Correlation Spectroscopy）。
光子学技术在生物科学研究中的应用
光子学技术在生物科学研究中的应用光子学技术是关于光的产生、传输、控制和检测的学科，光子学技术的发展为生物科学研究带来了许多突破。
光子学技术利用光子的特性，结合各种检测手段和光学器件，对生物系统的结构、功能和动态变化进行非侵入性的观测和分析，促进了生物科学的快速发展。
本文将探讨光子学技术在生物科学研究中的应用，并讨论它们的优势和前景。
首先，光子学技术在生物体内部的显微成像方面有重要应用。
传统的显微镜技术受限于分辨率和深度，不能观察到生物体内部的细节。
而通过使用光子学技术，例如光学相干断层扫描（OCT）和多光子显微镜（MPM）等，科学家们可以在活体内部获得高分辨率的显微图像。
这些技术基于光的干涉或非线性效应，能够实现纳米级或亚米级的分辨率，同时也能够观察到细胞、组织和器官的三维结构和动态过程。
这对于研究癌症、神经科学、心血管生物学等领域具有重要意义。
其次，光子学技术在生物分子和细胞研究中也发挥了重要作用。
在光子学技术的帮助下，科学家们能够通过分析光的相互作用和特性，了解生物分子的结构、功能和相互关系。
例如，荧光显微镜技术通过荧光标记物识别和追踪细胞内的特定分子，从而揭示生物分子的动态行为。
此外，拉曼光谱技术可以通过分析样本中散射光的频率和强度变化，来分析生物分子的组成和结构变化。
这些技术为生物分子研究提供了快速、灵敏和非破坏性的手段。
光子学技术还在生物科学研究中推动了生物传感和分析领域的发展。
生物传感器是能够通过光信号检测和转换来检测生物分子的装置。
例如，表面等离子共振传感器（SPR）通过检测光在金属表面和生物分子之间的相互作用来测量目标分子的浓度和相互作用强度。
这种技术在生物医学、食品安全和环境监测等领域具有重要应用。
此外，光子学技术在基因测序、蛋白质组学和细胞信号传导等分析中也发挥了重要作用，为生物科学研究提供了高通量、高灵敏度和高选择性的分析手段。
光子学技术在生物科学研究中的应用前景广阔。
随着光子学技术不断发展和创新，新的光学器件和方法不断涌现，为生物科学研究提供了更多的工具和解决方案。
时间分辩光谱
时间分辨光谱（Time-Resolved Spectroscopy）是一种研究物质光谱性质的技术，它通过测量物质在受到激发后随时间变化的光谱响应来获取有关物质的信息。
这种技术在许多领域都有广泛的应用，如物理、化学、生物学和材料科学等。
时间分辨光谱的主要原理是利用脉冲光源（如激光）对样品进行短时间的激发，然后通过高速探测器测量样品在激发后随时间变化的光谱响应。
这种方法可以提供关于物质内部过程的动力学信息，例如能量传递、电子转移、化学反应等。
时间分辨光谱技术有几种主要类型，包括：1. 时间相关单光子计数（Time-Correlated Single Photon Counting，TCSPC）：这种方法通过测量单个光子的到达时间来获取时间分辨光谱。
它具有非常高的时间分辨率，通常在皮秒 （10^-12秒）或飞秒（10^-15秒）量级。
2. 泵浦-探测 （Pump-Probe）技术：泵浦-探测技术通过两个或多个光源 （通常是激光器）对样品进行激发。
一个光源 （泵浦光源）用于激发样品，另一个或多个光源 （探测光源）用于测量样品在激发后随时间变化的光谱响应。
这种方法可以用于研究非线性光谱过程和超快动力学过程。
3. 飞秒光谱学（Femtosecond Spectroscopy）：飞秒光谱学是一种利用飞秒激光器进行时间分辨光谱测量的技术。
它可以用于研究超快的动力学过程，如光子学过程、电子转移和化学反应等。
时间分辨光谱在许多研究领域具有重要应用价值，例如：在生物学中，时间分辨光谱可以用于研究光合作用、光敏蛋白质和光敏信号传导等过程。
在材料科学中，时间分辨光谱可以用于研究光致发光、载流子动力学和光催化等过程。
在化学中，时间分辨光谱可以用于研究光化学反应、能量传递和电子转移等过程。
总之，时间分辨光谱是一种强大的实验技术，可以为我们提供关于物质内部过程的动力学信息，有助于深入理解各种物理、化学和生物过程。
超快时间分辨光学光谱技术原理及其应用
超快时间分辨光学光谱技术原理及其应用现今，随着科学技术的不断发展，光学光谱技术已经成为了现代科学研究中必不可少的重要工具之一。
在这其中，超快时间分辨光学光谱技术，是一种能够以极其简单、快速的方式，获取高度精确的光谱信息的先进技术。
本文将着重探讨这种技术的原理及其应用。
一、原理概述超快时间分辨光学光谱技术是通过将精密测量仪器与光谱仪相结合，来实现对光谱特征的快速测量和分析的一种技术。
其核心原理在于，光谱分析时，数据的时序分量是由超快速光学脉冲所提供的，这种光学脉冲的时间宽度极窄，可以达到飞秒或亚飞秒量级。
在实际操作中，超快时间分辨光学光谱技术主要依靠激光系统来提供超快速脉冲，而激光系统则需要匹配高度精确的精密线路，来实现快速测量和分析光谱信息的目标。
二、应用领域超快时间分辨光学光谱技术被广泛应用于各种重要领域中，其中包括：1.材料科学与工程：超快时间分辨光学光谱技术可以用于分析材料的光学特性和电学特性等，探究材料背后的基本物理和化学原理，以便更好地设计和制造新型材料。
2.化学生物学：超快时间分辨光学光谱技术能够实现对分子运动的快速观测和测量，同时也可以观察到生物分子之间的相互作用，从而为药物研发和分子动力学研究提供有力的支持。
3.医用诊断：超快时间分辨光学光谱技术可以通过疾病标志物的测量，检测癌症、心血管疾病和感染等疾病的早期症状。
4.生物医学工程：超快时间分辨光学光谱技术还可以为医疗检测和治疗过程提供精确的辅助数据，特别是在眼科和皮肤病学研究等领域中。
5.光子学研究：超快时间分辨光学光谱技术也在发展着新型扫描技术和光子学实验室的新实验方法，为光子学研究的进一步发展提供了新的途径。
三、技术进展超快时间分辨光学光谱技术是一个不断发展和完善的领域，近年来还有很多重要的技术进展，其中包括以下：1.半导体激光器技术：半导体激光器如今已经变得非常成熟，使用寿命也相对较长，进一步推动了超快时间分辨光学光谱技术的发展。
材料科学中的超快光谱学方法
材料科学中的超快光谱学方法超快光谱学是材料科学中使用的一种非常重要的研究方法。
通过这种方法，我们可以获得材料在极短时间内的光学响应信息，从而研究材料的电子结构和光电性质。
本文将深入探讨超快光谱学方法在材料科学中的应用。
超快光谱学方法背景概述超快光谱学方法是一种研究材料在极短时间内的光学响应的手段。
它使用的基本原理是，当物质受到强烈脉冲激光的照射时，材料的电子和晶格会发生瞬时变化，从而引起光学响应。
超快光谱学方法可以记录瞬时变化的光学信号，并通过分析光学信号来获得关于材料电子结构和光电性质的信息。
超快光谱学方法主要有四种类型：飞秒时间分辨光谱学(Femtosecond time-resolved spectroscopy)、时间分辨电子顺磁共振谱学(Time-resolved electron paramagnetic resonance spectroscopy)、时间分辨X射线光电子能谱(Time-resolved X-ray photoelectron spectroscopy)和时间分辨荧光谱学(Time-resolved fluorescence spectroscopy)。
其中，飞秒时间分辨光谱学是应用最广泛和成功的一种。
超快光谱学方法在材料科学中的应用超快光谱学方法在材料科学中具有广泛的应用。
其主要应用领域为光电转换材料、光电器件、半导体物理化学和表面化学等领域。
下面将分别介绍这些领域中超快光谱学方法的应用。
光电转换材料光电转换材料是指那些能够将光能转化为电能或者电能转化为光能的材料。
这类材料非常重要，因为它们在太阳能电池、照明、光通信等电子设备中都有着广泛的应用。
通过超快光谱学方法，可以研究光电转换材料的呼吸机制，研究电荷在材料中的运动方式等。
通过这样的研究，我们可以进一步提高光电转换材料的效率。
光电器件光电器件是指那些利用光电效应工作的器件，例如光电导、光电二极管、光电传感器等。
飞秒超快光谱技术及其互补使用
第7卷 第4期2014年8月 中国光学 Chinese Optics Vol.7 No.4Aug.2014 收稿日期:2014⁃03⁃18;修订日期:2014⁃05⁃15 基金项目:国家自然科学基金资助项目(No.21273096)文章编号 2095⁃1531(2014)04⁃0588⁃12飞秒超快光谱技术及其互补使用乔自文1,高炳荣2,陈岐岱2,王海宇2∗,王 雷2(1.吉林省电子信息产品监督检验研究院,吉林长春130021;2.吉林大学电子科学与工程学院集成光电子国家重点联合实验室,吉林长春130012)摘要:超快光谱技术是研究物质激发态过程的重要手段,本文对飞秒时间分辨荧光技术和飞秒泵浦探测技术这两个重要的超快光谱技术进行了详细介绍,阐述了系统的原理、光路及数据处理方法,给出了不同的实现方法并比较了其优缺点。
最后通过一个实例说明这两个技术的互补性,通过结合使用两个系统,能够对科学问题进行更全面可靠的研究。
关 键 词:超快光谱;荧光上转换;泵浦探测中图分类号:TN249 文献标识码:A doi:10.3788/CO.20140704.0588Ultrafast spectroscopy techniques and their complementary usagesQIAO Zi⁃wen 1,GAO Bing⁃rong 2,CHEN Qi⁃dai 2,WANG Hai⁃yu 2∗,WANG Lei 2(1.Electronic Information Products Supervision Inspection Institute ofJilin Province ,Changchun 130021,China ;2.State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics ,College of Electronic Science and Engineering ,Jilin University ,Changchun 130012,China )∗Corresponding author ,E⁃mail :haiyu_wang@Abstract :Ultrafast spectroscopy techniques are powerful tools for exploring the excited⁃state processes of ma⁃terials.In this paper,we introduced femtosecond time⁃resolved fluorescence technique and femtosecond pump⁃probe technique in detail,including the fundamental principles of systems,optical paths and data processing metheds,as well as the advantage and disadvantage in different implemental schemes.At last,in order to re⁃veal the complementary role,we provided an example in which the scientific problems were solved comprehen⁃sively and reliably by combinative usage of the two systems.Key words :ultrafast spectroscopy;fluorescence upconversion;pump⁃probe1 引 言 分子原子中发生的大多数光物理过程都具有一定的时间尺度,比如原子核的运动,化学键的扭转等发生在飞秒到皮秒时间范围内,电荷分离和转移、能量传递等可发生在飞秒到纳秒时间尺度上,发光材料的荧光寿命一般在纳秒量级,生物中某些特殊的生理功能如捕光、储能等过程都发生在不同的时间尺度上。
学术报告记录--荧光的飞秒时间分辨光谱
《学 术 报 告 记 录》报告题目：荧光的飞秒时间分辨光谱主 讲 人：时 间： 地点：学术报告主要内容（可加页）：一、荧光光谱荧光光谱的现象被观测是从400年前牛顿用棱镜将太阳光分解成彩色光谱开始的；其理论是100年以前爱因斯坦提出的光量子理论二、光谱仪：任何一台光谱仪一般都是又光源、分光系统（一般是光栅或棱镜）和探测器组成。
其简图如下所示：其中,对于光谱仪中的探测器对于单波长探测，一般用光电倍增管(PMT)；对于全光谱探测，一般用光学多通道分析仪(OMA)或电荷耦合器件(CCD)；对于弱光探测一般用ICCD 。
对于PicoStar-超快响应的增强型CCD ，其数据采集的方法是令激光重复频率和数据采集频率相同，这对对探测器的响应时间要求很快。
对于时间分辨光谱目前有两种方法：一是用现代相机进行连拍；二是用多个相机相继拍三、光学门-Kerr 效应实现的飞秒时间分辨光谱在电场作用下,各向同性的透明介质变为各向异性，从而产生双折射现象—电致双折射或克尔效应。
下图表示fs 脉冲在Kerr 介质中的瞬态双折对于Kerr 介质，一般选用非线性折射率大，响应速度快20||n n E γ=+，且要求在390~780nm 不能有单或双光子吸收。
用光学门可以实现的飞秒时间分辨光谱，其光学结构图如下图所示：在测量方面一般可用上转换荧光的方法来测量飞秒时间分辨光谱。
荧光上转换原理是：利用晶体的非线性效应，当两束光波同时入射到晶体上式衍射光除了含有原来频率的光场以外，还有两入射光场的合频光场，从而实现频率上转换。
在合频转化的过程中要遵守动量守恒123k k k +=和能量守恒123hv hv hv +=或312ωωω=+。
四、脉冲激光和光学门对于飞秒脉冲激光，其脉冲宽度一般为100fs ，重复频率(可调)一般为1kHz ，周期一般为1/1000Hz=1ms ，通过简单的计算容易得到：单周期内一个脉冲行走的距离为：10-3s ⨯3⨯108m/s=105m=100km ；单脉冲的空间长度为100⨯10-15s ⨯3⨯108m/s=3.0⨯10-5m=30μm 。
超快光谱学在化学反应研究中的应用
超快光谱学在化学反应研究中的应用超快光谱学是指利用飞秒或亚飞秒激光脉冲技术来对物质的光学、电子结构、动力学过程进行快速探测和研究的一门交叉学科。
其丰富的光谱信息和超快时间分辨率为化学反应动力学研究提供了新的前沿手段。
在有机合成、生物化学、材料学等领域中，超快光谱学已经成为了一个重要的研究手段。
超快光谱学的研究对象通常是分子、离子和化合物。
其基本原理是利用飞秒激光脉冲对分子进行非弹性散射，从而探测其电子激发、振动、转动等动力学过程。
这种研究方法具有高灵敏度、高精度、高时间分辨率等特点，可以揭示化学反应中非常重要的瞬态过程，例如反应过渡状态、中间体结构等。
超快光谱学在化学反应研究中的应用非常广泛。
例如，在有机化学反应中，其可以用来研究自由基反应、光化学反应、光敏反应等。
在光催化、光催化剂设计中，其可以用来研究光吸收、电荷转移、激发态寿命等。
在无机和材料化学中，其可以用来研究催化剂表面吸附、活性位点等。
同时，超快光谱学的研究也对认识光合作用、光生物学等领域有着非常重要的意义。
一种比较典型的应用超快光谱学的方法是超快时间分辨荧光光谱技术。
超快时间分辨荧光光谱技术是利用飞秒激光脉冲对系统进行激发，在短时间内记录样品的发射光谱，从而研究样品的动力学过程。
例如，利用超快时间分辨荧光光谱技术可以研究分子在光化学反应中的光激发态和动力学过程，并可以确定反应动力学机理和反应路径。
同时，这种技术还可以对材料的电子结构和能带结构进行非常准确的研究，有利于材料性质的优化和合成。
除了超快时间分辨荧光光谱技术外，超快光谱学的其他应用还有很多。
例如，其可以用来研究分子的弛豫过程、非线性光学现象、拉曼光谱、光声光谱等。
这些研究可以为有效、高效、高选择性的催化、光电转换、信息学领域等的发展提供理论基础和实验支撑。
总之，超快光谱学在化学反应研究中的应用具有很大的潜力和前途。
随着科技的不断进步，超快光谱学将进一步发挥其独特的优势和重要的作用，为解决关键科学问题和推动科学技术的发展做出更大的贡献。
纳米材料的超快光学响应研究
纳米材料的超快光学响应研究一、引言纳米材料是指至少有一个尺寸小于100纳米的物质，其尺寸和形状会改变通常材料的性质和行为。
因此，纳米材料有广泛的应用领域。
其中，纳米材料的光学性质在光电子学、生物学、化学和能源等领域具有重要应用，特别是它们的超快光学响应在光通信和光存储领域里的应用前景广阔。
本文将着重介绍纳米材料的超快光学响应研究。
二、纳米材料超快光学响应纳米材料的超快光学响应是指，在纳米材料被激发时，其光学响应时间小于飞秒级别。
这种响应速度比传统的非线性光学材料快多了，因此可以用于超快光电子学研究，例如超快光存储、超快光调制器和超快光开关等。
纳米材料超快光学响应的机制是非常复杂的。
在纳米颗粒大小的材料中，电子的动力学在纳秒和皮秒时间内是明显不同的。
当这些材料受到光子的激发时，电子的加速和碰撞将出现极快的“光学冷却”和“热电子注入”现象，导致短暂的光学充电和电子排布的变化。
这个过程可以在皮秒和飞秒的时间尺度上被观察到。
三、纳米材料超快光学响应测量技术测量纳米材料超快光学响应需要使用高精度的光学设备，包括飞秒激光、激光光谱仪和时间分辨光谱仪。
这些设备能够测量纳米材料的吸收和发射光谱，以及探索材料中电子、离子和原子的行为。
飞秒激光是研究纳米材料超快光学响应的重要工具之一。
飞秒激光器能够生成高功率和高频率的激光，以激发材料的非线性光学效应。
激光光谱仪可以用来测量样品的吸收和发射光谱，这是研究纳米材料光学响应的基本方法之一。
时间分辨光谱仪能够将时间和波长分辨开，并且能够显示光的吸收和发射过程中的时间响应。
四、应用纳米材料的超快光学响应有广泛的应用前景。
其中，光电子学是一个重要的领域，纳米材料超快光学响应可以用于超快光通信和超快光存储技术。
例如，纳米材料的复合结构可以用于制备高速光调制器或高速光控制系统。
此外，纳米材料的超快光学响应还可以用于化学传感器，例如探测环境中有毒物质的存在。
此外，纳米材料的超快光学响应还有更广泛的应用。
超快光谱文档
超快光谱引言超快光谱是研究光与物质相互作用过程的重要手段之一。
它通过测量光谱随时间演化的变化，可以揭示光与物质之间的能量转移和动力学过程。
超快光谱在材料科学、化学、生物学等领域有着广泛的应用。
本文将介绍超快光谱的基本原理、仪器和应用领域等内容。
基本原理超快光谱研究的核心是利用飞秒激光技术实现对物质光谱的时间分辨测量。
飞秒激光是一种特殊的激光，它的脉宽极短，通常在几十飞秒到几飞秒的量级上。
通过将飞秒激光束分为两束，一个作为参考光束，另一个经过与样品作用后的信号光束。
当信号光束与样品相互作用时，由于光与物质的相互作用，信号光束的光谱会发生变化。
这种光谱变化可以通过将参考光束和信号光束重新叠加，并经过光栅或其他光谱仪器的调制，将光强的变化与时间延迟对应起来。
通过控制参考光束和信号光束之间的时间延迟，可以得到光谱随时间演化的信息。
仪器超快光谱实验通常需要一套复杂的仪器系统。
主要的组成部分包括激光发生器、光学系统、探测器和数据分析系统等。
激光发生器是实验的核心组件，它需要产生高能量、高重复频率和飞秒脉冲的激光束。
常用的激光器包括钛宝石激光器、掺铬蓝宝石激光器等。
光学系统主要包括准直系统、分光系统和延迟系统等。
准直系统用于对激光进行准直，确保光束的平行和合理的空间形状。
分光系统用于将光谱分解成不同波长的光束，通常采用光栅或光波片来实现。
延迟系统用于调节参考光束和信号光束之间的时间延迟。
探测器用于测量光谱强度的变化。
常用的探测器包括光电二极管、光阻、光电倍增管等。
数据分析系统主要通过计算机和数据处理软件来对得到的光谱数据进行分析和处理。
常用的数据处理方法包括快速傅里叶变换、功率谱密度分析和相关性分析等。
应用领域超快光谱在材料科学、化学和生物学等领域有着广泛的应用。
在材料科学领域，超快光谱可以用于研究材料的光学特性和能量转移过程。
例如，可以通过超快光谱研究材料中的载流子动力学行为，以及光激发下的电荷转移和复合过程。
超快光学实验技术的研究与应用
超快光学实验技术的研究与应用随着科技的飞速发展，超快光学实验技术的研究也日益重要。
这种技术可以用来研究和探索物质的微观世界，成为科学界的宝贵工具。
同时，它也能在许多领域中带来重大的变革和突破，比如材料科学、能源领域和生物医学等等。
一、什么是超快光学实验技术超快光学实验技术是基于激光产生的超短脉冲时间、高能量的光谱技术，可以探究物质在飞秒和皮秒时间尺度上的动力学行为。
该技术是能够获得相当高时间分辨率的工具，在微纳米级别的材料和生命体系研究中有着广泛的应用。
超快光学实验技术有许多种不同的形式，如时间分辨光谱、时间分辨成像、红外、高能分辨光电子谱、磁共振成像等等。
这些技术有助于揭示材料的多种性质，包括化学结构、电子结构、光学性质、磁学性质、自旋等参数。
二、超快光学实验技术的应用由于其飞快的速度和高度的时间分辨率，超快光学实验技术在许多领域中都有着重要的应用，这些领域包括：1.材料科学超快光学实验技术可以用来探究材料的电子结构和物理性质。
例如，这种技术可以用来研究材料在极端条件下的性质，比如高压、高温和强磁场等，以及材料在光照条件下的行为。
这些研究对于开发新的材料和改进现有材料的性能有很大的帮助。
2.能源领域超快光学实验技术可以用来研究光伏材料、储能系统和化学反应等。
例如，这种技术可以用来研究光催化反应中的电荷传输和反应动力学，以及材料在不同温度下的量子效应。
这些研究对于开发更高效的能源转换和储存系统具有重要的意义。
3.生物医学超快光学实验技术可以用于生物医学研究中，例如用于观察细胞和化学反应的动态过程。
这种技术可以用来研究多种生物分子的结构和功能，例如蛋白质、脂质和核酸等。
这些研究对于了解生命过程和疾病机制有重要的意义。
三、未来的发展方向目前，超快光学实验技术仍处于不断发展、探索和优化的过程中，未来还有很多潜力和挑战。
1.技术升级与许多新兴技术一样，超快光学实验技术还有提高的空间。
目前，研究人员正在探索更快和更精确的技术手段，以获得更高的时间分辨率和更准确的成像分辨率。
超快时间分辨光谱实验技术研究
超快时间分辨光谱实验技术研究
郑贤旭
【期刊名称】《工程物理研究院科技年报》
【年(卷),期】2011(000)001
【摘要】时间分辨光谱实验技术是近20年发展起来的一项新型实验诊断技术，是研究极端条件下材料物性非常有效的实验方法，在材料冲击相变、光谱测温、炸药反应动力学等领域有着广泛的应用前景。
近年来，超快时间分辨光谱实验技术已逐渐成为研究冲击波和爆轰物理的理想实验工具之一。
美国和日本的少数实验室已开展了超快时间分辨光谱技术研究，但总体上该实验技术目前仍处在初步发展阶段，仍有许多需要解决的关键技术问题。
近年来，本研究小组以纳秒时间分辨的拉曼光谱实验技术为研究重点，
【总页数】3页(P17-19)
【作者】郑贤旭
【作者单位】不详
【正文语种】中文
【中图分类】O472.3
【相关文献】
1.低能量光子激发下纳米ZnO的超快时间分辨光谱特性 [J], 王晓芳;谢平波;赵福利;汪河洲
2.二维材料的超快光谱技术研究 [J], 李汉;程湘爱
3.飞秒时间分辨的光电子影像技术研究2-氯吡啶超快内转换动力学 [J], GHAZAL Ahmed-Yousif;邱学军;秦朝朝;龙金友;布玛丽亚·阿布力米提;张冰
4.飞秒瞬态吸收技术研究有机／无机异质结的超快电荷转移过程 [J], 李雪璁;隋宁;刘庆辉;袁启霖;王英惠
5.高功率超快碟片激光技术研究进展(特邀) [J], 王海林;董静;刘贺言;郝婧婕;朱晓;张金伟
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例：富勒烯及其衍生物三阶非线性光学响应
C60
C-第三种基本形式
新型p共轭三维分子结构
奇特非线性光学响应
问题：不同实验条件给出的非线性光学响应
c(3) (g)差别几个量级10-29-1035esu
Reported values about NLO of C60 and its
THG THG THG THG THG
1907
ns
1907
ns
1907
ns
1907
ns
1907
ns
665 464 774 1157 4598
Carbon Nanotubes Single Wall Carbon Nanotubes
DFWM OKE
1064
ps
820
fs
0.59/atom 770/atom
fast NLO response large off-resonant
}c(3)
fs
measur.
p 电子共轭有机及聚合物材 料
Signal (a.u.)
25 20 15 10
5 0
-0.5
Carbon Bisulfide (CS2)
0.0
0.5
1.0
Time (ps)
Typical OKE signal for the reference sample CS2
飞秒时间分辨光谱技术 及超快光子学新材料研究
报告内容： 一、引言 二、飞秒超快光谱及应用 三、光子学器件飞秒激光微制备 四、结束语
一、引言
飞秒（10-15 S）----万亿分之一秒 （最短脉冲）
超快 (< 4.0fs) ---- 最快测量手段
超强 (100TW) 在
自然界存
聚焦强度 1020W/cm2
L2
P2 Detector
I1:I2 = 10:1
Delay line Chopper
Computer Lock-in
为光电功能材料超快光过程研究 提供必要手段。
三阶光学非线性材料 ------飞秒时间分辨测量
光子学应用 光-光控制
瞬时 响应、大的三阶非线性光学响应
Low cost
easy of fabrication
Evaluation of c(3) and g for the
sample
To avoid the difficulty in giving an absolute
values
of light intensity and the interaction length,
reference measurement was employed:
derivatives Molecule
Method(s) Wavelength Time (3)(10-14esu)
(nm)
C60
z-scan, DFWM
497
0.5ps
C60
OKE
640
fs
C60
OHD-OKE
647
ns
-27.5
C60
OKE
810
fs
C60
THG
1907
ns
2218
Poly-C60
Li@C60 Dy@C82 Er2@C82
z-scan, DFWM DFWM DFWM
497 532 1064
0.5ps ps
180004500 30000050000
-8700
C60-PTHFMA C60-poly-aminonitrile C60(NH2CN)5 C60((NH2)2CNCN)5 C70-poly-aminonitrile C70(NH2CN)5 C70((NH2)2CNCN)5
强场光物理
强场电离、解离和库仑爆炸 高次谐波 激光等离子体、核聚变、裂变 模拟宇宙学 激光三维加工与制备 … ...
二、飞秒超快光谱及应用
时间分辨测量发展史 二百年前
$25000赌博 —— 某一时刻，马的四蹄是否 同时离地？
“过渡态”—— 马腾空时刻
1878年，摄影师Muybridge首次拍摄到飞驰奔马的运动 （24部照相机，相隔1英尺，1/1000秒快门）。
THG
1907
ns
4777
C70
OKE
810
fs
C60-
CARS
C602-
CARS
C603-
CARS
(10-35esu)
-1300300 16000
<9
<50 240100 400100 76050
C60M2, M=Pd,Pt,Sm
OHD-OKE
647
fs
-49, -78, -260
TPN:C60 multilayer TPN:C60 composite TPP:C60 multilayer TPP:C60 composite C60:O2
measurement）
OKE ----- 三阶非线性光学过程
E1
E2 I2 OKE signal intensity
P Es Is
I1 c(3)
Es
E1
450 E2
I
s=
Is
ω2d2 ε02n04c4
χ
(3)
2
1
eαd αd
eαd I1I1I 2
OKE Signal(a.u.)
飞秒光克尔实验系统
飞秒脉冲——— 时间分辨测量
10000 8000 6000
LiNbO3 film
M
1
4000
2000
Ti:S
0 -1000 -750 -500 -250 0 250 500 750
Time(fs)
l : 760 - 850nm
t : 100fs
P: 1.5W,
76MHz
M 3 M P21 L1 Sample
CS2 as the
13 esu
(3) S
reference sample ，
(3) R
IS IR
1
2
I R,Pump I S ,Pump
nS nR
2
（3）=1×10-
l
el / 2 1 el
N
(3)
3.5
×1016W/cm2
光压
1012bar
1bar
加速度 磁场
1021g
g
109G提au供s了s 极端实验条件 0.5Gauss “飞秒科学” 新领域
Femtoscience
更短、更强飞秒激光的获得
超快
PW功率、as单脉冲
超强
瞬态过程研究
飞秒时间分辨光谱术 飞秒化学 飞秒生物学 飞秒材料学 阿秒科学 飞秒光梳与光频标
zs
10-21 s
超快时间分辨测量
Ultrafast time – resolved
measurement
as
f
ps
10-18
10s-15 s
10-12
s
s
Tim e
光学相关法
电子相 关法
相
条纹相机
机
光电管
等
ns
ps
fs
as
光学相关法
{
二次谐波法 双光子荧光 克尔开关法
高阶相关法
1） 飞秒光克尔光谱（ Femtosecond OKE