CN108872073B - 一种飞秒宽带泵浦-激发/亏蚀-探测光谱仪 - Google Patents

一种飞秒宽带泵浦-激发/亏蚀-探测光谱仪 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种飞秒宽带泵浦‑再激发/亏蚀‑探测光谱仪，所述光谱仪产生泵浦光、探测光以及激发/亏蚀光；所述光谱仪能够对泵浦光、激发/亏蚀光进行双斩波调制，并能控制激发/亏蚀光、探测光到达样品的时序；其中，探测光为超连续探测脉冲，与泵浦光的偏振方向成魔角；并且泵浦光、激发/亏蚀光的偏振方向一致。所述光谱仪能够用于探测采集各个相应时序下的宽带探测光的光谱信号，进而研究样品分子的不同激发态过程的超快动力学行为。本发明较之现有的相关研究方法具有高时间分辨、功能更强大、可研究的过程更广泛等特点，并可实现物理化学反应的人工量子调控，是现代超快光谱技术中新型有效的探测技术之一。

Description

一种飞秒宽带泵浦-激发/亏蚀-探测光谱仪
技术领域
本发明涉及光电调控及传感技术领域，具体地，涉及飞秒宽带泵浦-激发/亏蚀-探测光谱仪。
背景技术
随着激光技术的发展，人们发展了多种超快光谱技术来研究分子的超快过程。目前常用的超快光谱技术，主要有飞秒荧光光谱技术及飞秒pump(泵浦)-probe(探测)光谱技术等，这些技术在应用中被发现都存在着不同的局限性。飞秒荧光光谱技术虽然具有较高的探测精度，但其只能对发光材料进行探测，并且只能对发光材料的发光过程进行探测。而飞秒宽带pump(泵浦)-probe(探测)光谱技术虽然可对不发光分子及分子的暗态过程进行高时间分辨的探测，但该方法在复杂的凝聚相体系探测应用中面临一些难题需要解决，如：无法解决复杂分子体系的光谱重叠；无法精确探测复杂动力学过程中处于长寿命过程之后的超快中间过程；无法直接探测激发态动力学过程的全过程(如无法探测GSI,Excitondissociation等中间过程)；无法进行选择性量子调控等。
发明内容
为了克服这些技术的缺点，本公开提出了一种飞秒宽带泵浦-激发/亏蚀-探测光谱仪，可以对凝聚态体系的内部相互作用及动力学过程实现高精度的测量及量子调控，进而应用于生物、物理、化学及材料等领域进行研究。本公开技术方案如下。
一方面，本公开提供了一种飞秒宽带泵浦-激发/亏蚀-探测光谱仪，所述光谱仪产生泵浦光、探测光以及激发/亏蚀光；
所述光谱仪能够对泵浦光、激发/亏蚀光进行双斩波调制，并能控制激发/亏蚀光、探测光到达样品的时序，实现样品的差分光谱探测；
其中，探测光为超连续探测脉冲，与泵浦光的偏振方向成魔角；
并且泵浦光、激发/亏蚀光的偏振方向一致。
在所述光谱仪中，其中：所述光谱仪包括宽波段可调谐飞秒激光光源；所述宽波段可调谐飞秒激光光源用于产生激光光束，所述激光光束经第一分束片(2)分成第一光束、第二光束；
所述第一光束经第二分束片(4)分成第三光束和第四光束；
所述第二光束经第一非线性光参量放大装置(3)调谐、激光脉冲整形装置调制产生激发/亏蚀光；
所述第三光束经非线性透明介质(10)产生超连续探测光；
所述第四光束经第二非线性光参量放大装置(6)调谐产生泵浦光。
在所述光谱仪中，其中：所述光谱仪在激发/亏蚀光的光路上设置第一电控位移时间延迟平台(14)、第一斩波器(23)，通过所述第一电控位移时间延迟平台(14)控制所述激发/亏蚀光到达样品池的时间，通过所述第一斩波器(23)控制是否透过激发/亏蚀光；
所述光谱仪在泵浦光的光路上设置第二电控位移时间延迟平台(31)、第二斩波器(33)，通过所述第二电控位移时间延迟平台(31)控制所述泵浦光到达样品池(36)的时间，通过所述第二斩波器(33)控制是否透过泵浦光；
所述光谱仪在探测光的光路上设置有第三电控位移时间延迟平台(19)，通过所述第三电控位移时间延迟平台(19)控制所述探测光到达样品池(36)的时间。
在所述光谱仪中，其中：所述第一斩波器的转速为第二斩波器转速的2倍。
在所述光谱仪中，其中：所述激光脉冲整形装置包括第二平面反射镜(15)、光调制系统(16)、第三平面反射镜(17)；
所述光调制系统(16)由2个光栅，一对透镜和中间放置的空间光调制器组成；
激光脉冲由第二平面反射镜(15)反射并经过第一个光栅色散后，不同频率的光在角度上被分开，入射光在第一个凸透镜的后焦面上从时域转换到了频域，然后通过焦点中心放置的空间光调制器对激光脉冲的频率、相位及幅值进行调制，再经过第二个凸透镜及光栅后，激光脉冲重新转换到时域，从而获得整形好的脉冲，从第三平面反射镜(17)输出。
在所述光谱仪中，其中：所述光谱仪还包括第三凸透镜(38)和第五光阑(37)；
所述第五光阑(37)用于抑制样品的杂散光，所述第三凸透镜用于将要采集的光谱进行会聚。
在所述光谱仪中，其中：所述光谱仪还包括光谱信号采集装置，所述光谱信号采集装置包括光纤探头(39)、聚焦装置(40)、探测器(41)；
所述光纤探头(39)、聚焦装置(40)、探测器(41)通过光纤连接；
光谱信号经光纤探头(39)采集后，通过聚焦装置(40)进行聚焦后，输出至探测器(41)。
在所述光谱仪中，其中：所述光谱仪分别在探测光的光路上设置第一半波片(21)，在激发/亏蚀光的光路上设置第二半波片(24)、偏振片(25)，在泵浦光的光路上设置第三半波片(34)，从而获得偏振方向一致的泵浦光和激发/亏蚀光，以及偏振方向成魔角的探测光和泵浦光。
在所述光谱仪中，其中：所述光谱仪通过第一凸透镜(9)将第三束光聚焦到非线性透明介质(10)，在经过非线性透明介质(10)倍频调节之后，通过第二凸透镜(11)进行准直，再通过第二滤波片(12)将剩余的基频光滤掉后得到探测光。
另一方面，本公开提供了一种根据上述光谱仪进行多时序同步控制的方法，所述方法包括下述步骤：
调整泵浦光和激发/亏蚀光的偏振方向一致，调整探测光和泵浦光的偏振方向成魔角；
控制泵浦光到达样品池，将基态粒子激发到高激发态；
控制激发/亏蚀光到达样品池的时间相对于泵浦光延迟，将高激发态布局带回基态的高振动态；
控制泵浦光、激发/亏蚀光达到样品池，诱导激发态的样品产生差分信号，将该差分信号记作PDP(λ，t)；
式(1)中：Ion-on(λ，t)为测得的有泵浦光及激发/亏蚀光时在t时刻λ波长处的信号光强度；Ioff-off(λ，t)为测得的无泵浦光及激发/亏蚀光光时在t时刻λ波长处的信号光强度；
控制激发/亏蚀光达到样品池，诱导激发态的样品产生差分信号，将该差分信号记作DP(λ，t)；
式(2)中，Ioff-on(λ，t)为测得的无泵浦光但有激发/亏蚀光时在t时刻λ波长处的信号光强度；Ioff-off(λ，t)为测得的无泵浦光及激发/亏蚀光时在t时刻λ波长处的信号光强度；
控制泵浦光达到样品，通过泵浦光诱导激发态的样品产生差分信号，将该差分信号记作PP(λ，t)；
式(3)中，Ion-off(λ，t)为测得的有泵浦光但无激发/亏蚀光时在t时刻λ波长处的信号光强度；Ioff-off(λ，t)为测得的无泵浦光及激发/亏蚀光时在t时刻λ波长处的信号光强度；
将上述差分信号代入下式计算获得双差分信号，将该双差分信号记作ΔΔOD(λ，t)：
ΔΔOD(λ，t)＝PDP(λ，t)-DP(λ，t)-PP(λ，t) (4)。
与现有技术相比，本公开的光谱仪具有下述有益效果：
(1)整个光谱仪系统采用飞秒dump(亏蚀)/push(激发)光作为干涉光对由泵浦光生成的激发态波包进行调控，并用超连续宽带光作为探测吸收光的差分信号，可以实现宽的紫外可见光乃至红外光谱测量，覆盖了凝聚相物质的电子结构及动力学变化的信息，可以准确测量凝聚相物质结构变化的瞬态宽带光谱数据和动态结构变化的动力学信息，其光谱数据精度可以达到1×10-4OD。
(2)选用双光路高速调制的测量方法和自主研发脉冲整形技术，不仅克服了复杂分子体系激发光谱重叠的问题，实现双差分微弱信号的检测，消除光源不稳定的影响，还实现了激发态动力学的选择性探测和选择性调控。
(3)采用非线性光参量放大装置来对泵浦光和dump(亏蚀)/push(激发)光实现从近紫外到近红外连续调谐。
(4)采用非共线泵浦push(激发)/dump(亏蚀)探测光路系统实现对样品的泵浦、push(激发)/dump(亏蚀)及探测过程，具有操作方便且系统稳定，有效减少了杂散光等优势。
(5)飞秒push(激发)/dump(亏蚀)光将分子激发到高激发态势能面的夫兰克-康登(FrankCondon)区域后产生激发态波包。在设定的延迟时间后，增加一束dump(亏蚀)光来对激发态波包进行量子调控，其不仅可以选择性的探测波包运动状态，并可选择性的控制波包运动，即：既可以使分子再激发的更高的激发态，又可以使激发态分子受激发射迅速回到基态的高振动态，从而实现对分子的光物理和光化学过程的选择性探测和选择性量子调控目的。
(6)相对于传统的光谱仪器，该仪器的研究功能扩展到不仅可以用来探究稳态和激发态动力学信息，还可以用来直接探测乃至调控分子整个反应路径的中间态过程。
附图说明
图1飞秒时间分辨Pump(泵浦)-dump(亏蚀)/push(激发)-Probe(探测)光谱仪的光学结构图；
其中，1-飞秒放大激光器；2-第一分束片；3-第一非线性光参量放大装置(OPA2)；4-第二分束片；5-第一滤光片；6-第二非线性光参量放大装置(OPA1)；7-第一光阑；8-第二光阑；9-第一凸透镜；10-非线性透明材料(蓝宝石，氟化钙，水等)；11-第二凸透镜；12-第二滤光片；13-第一平面反射镜；14-第一电控位移时间延迟平台；15-第二平面反射镜；16-光调制系统；17-第三平面反射镜；18-第四平面反射镜；19-第三电控位移时间延迟平台；20-第五平面反射镜；21-第一半波片；22-第六平面反射镜；23-第一斩波器；24-第二半波片；25-偏振片；26-第七平面反射镜；27-第八平面反射镜；28-第三光阑；29-第四光阑；30-第九平面反射镜；31-第二电控位移时间延迟平台；32-第三滤波片；33-第二斩波器；34-第三半波片；35-凹面镜；36-样品池；37-第五光阑；38-第三凸透镜；39-光纤探头；40-聚焦装置；41-探测器；42-中央控制器；
图2多时序控制的双差分的微弱信号的提取和放大；
图3-a二乙氨基羟基黄酮(4’-N,N-diethylamino-3-hydroxyflavone，DEAHF)飞秒宽带泵浦-探测瞬态吸收光谱及Pump(泵浦)-Push(激发)/dump(亏蚀)-Probe(探测)的多脉冲控制瞬态吸收光谱；
图3-b二乙氨基羟基黄酮(4’-N,N-diethylamino-3-hydroxyflavone，DEAHF)飞秒宽带泵浦-探测瞬态吸收光谱及Pump(泵浦)-Push(激发)/dump(亏蚀)-Probe(探测)的多脉冲控制瞬态吸收光谱在560nm处的动力学曲线；
图4-a五联噻吩(α-Quinquethiophene)飞秒宽带泵浦-探测瞬态吸收光谱及泵浦-亏蚀-探测的多脉冲控制瞬态吸收光谱；
图4-b五联噻吩(α-Quinquethiophene)飞秒宽带泵浦-探测瞬态吸收光谱及泵浦-亏蚀-探测的多脉冲控制瞬态吸收光谱在560nm处的动力学曲线。
具体实施方式
在一个实施例中，提供了一种飞秒宽带泵浦-激发/亏蚀-探测光谱仪。所述光谱仪产生泵浦光、探测光以及激发/亏蚀光；所述光谱仪能够对泵浦光、激发/亏蚀光进行双斩波调制，并能控制激发/亏蚀光、探测光到达样品的时序，实现样品的差分光谱探测；其中，探测光为超连续探测脉冲，与泵浦光的偏振方向成魔角，即泵浦光的偏振方向为54.7度；并且泵浦光、激发/亏蚀光的偏振方向一致。
在这个实施例中，采用飞秒dump(亏蚀)/push(激发)光作为干涉光对由泵浦光生成的激发态波包进行调控，并用超连续宽带光作为探测吸收光的差分信号，可以实现宽的紫外可见光乃至红外光谱测量，覆盖了凝聚相物质的电子结构及动力学变化的信息。
在一个实施例中，采用的所述光谱仪包括宽波段可调谐飞秒激光光源所述宽波段可调谐飞秒激光光源用于产生激光光束，所述激光光束经第一分束片(2)分成第一光束、第二光束；
所述第一光束经第二分束片(4)分成第三光束和第四光束；
所述第二光束经第一非线性光参量放大装置(3)调谐、激光脉冲整形装置调制产生激发/亏蚀光；
所述第三光束经非线性透明介质(10)产生超连续探测光；
所述第四光束经第二非线性光参量放大装置(6)调谐产生泵浦光。
在这个实施例中，采用飞秒dump(亏蚀)/push(激发)光作为干涉光对由泵浦光生成的激发态波包进行调控，并用超连续宽带光作为探测吸收光的差分信号，可以实现宽的紫外可见光乃至红外光谱测量，覆盖了凝聚相物质的电子结构及动力学变化的信息，可以准确测量凝聚相物质结构变化的瞬态宽带光谱数据和动态结构变化的动力学信息，其光谱数据精度可以达到1×10-4OD。采用非线性光参量放大装置来对泵浦光和dump(亏蚀)/push(激发)光实现从近紫外到近红外连续调谐。
在这个实施例中，根据试验所需波长，可通过控制第一非线性光参量放大装置OPA2(3)和第二非线性光参量放大装置OPA1(6)内的晶体和棱镜自动转到指定位置实现激光波长的选择性输出。
下面实施例结合附图1进行详细阐述。
在所述光谱仪中，所述光谱仪包括宽波段可调谐飞秒激光光源，所述宽波段可调谐飞秒激光光源用于产生激光光束，所述激光光束经第一分束片(2)分成第一光束、第二光束；所述第一光束经第二分束片(4)分成第三光束和第四光束。
所述第二光束在经第一非线性光参量放大装置(3)调谐后，可产生波长范围在240-2600nm之间的光束，将其作为激发/亏蚀光。第二光束依次通过第一滤光片(5)调节功率，第一光阑(7)、第二光阑(8)调节光束后进入第一电控位移时间延迟平台(14)，通过所述第一电控位移时间延迟平台(14)控制所述激发/亏蚀光到达样品的时间。接下来，第二光束经激光脉冲整形装置(15,16，17)调制。经过调谐调制后的第二光束为激发/亏蚀光。其中，激发光能将分子激发态布居再次激发到更高的能级，亏蚀光能将分子激发态布居亏蚀到更低的能态，继而探测再激发或亏蚀后的光谱。第二光束在激光脉冲整形装置(15,16，17)调制后经第七平面反射镜(22)反射到第一斩波器(23)，通过所述第一斩波器(23)控制是否透过激发/亏蚀光。透过第一斩波器(23)的光束，依次经第二半波片(24)、偏振片(25)调节光束的偏振方向，再依次通过第八平面反射镜(26)、第九平面反射镜(27)调整方向，通过凹面镜(35)汇聚到样品池。
所述第三光束通过第一凸透镜(9)将基频光聚焦到非线性透明介质(10)产生超连续探测光，第一凸透镜(9)能够减小基频光在倍频晶体的光斑面积。非线性透明介质(10)可以根据探测波长需求可选择蓝宝石CaF2晶体或水等,对于中心波长为800nm的基频光，蓝宝石晶体产生的超连续白光范围在400-1000nm之间，而CaF2晶体产生的超连续白光在440-820之间，水产生的超连续白光在400-750之间。倍频后的光束在通过第二凸透镜(11)进行准直后输出，并通过第二滤波片(12)将剩余的基频光滤掉。在经第二滤波片(12)滤掉基频光后，探测光依次通过第四平面反射镜(18)调整方向，进入第三电控位移时间延迟平台(19)，通过所述第三电控位移时间延迟平台(19)控制所述探测光到达样品池(36)的时间。然后，通过第五平面反射镜(20)调整方向，通过第一半波片(21)调整偏振方向后，经平面反射镜将光束反射至凹面镜(35)，再通过凹面镜(35)汇聚到样品池。
所述第四光束在经第二非线性光参量放大装置(6)调谐后，可产生波长范围在240-2600nm之间的光束，将其作为泵浦光。然后，该光通过第三光阑(28)、第四光阑(29)调节光束后，进入第二电控位移时间延迟平台(31)，通过所述第二电控位移时间延迟平台(31)控制所述泵浦光到达样品池(36)的时间；然后，通过第三滤波片(32)滤光后进入第二斩波器(33)，通过所述第二斩波器(33)控制是否透过泵浦光；透过第二斩波器(33)的光束，经第三半波片(34)调整偏振方向后，入射到凹面镜(35)，再通过凹面镜(35)汇聚到样品池。
在所述光谱仪中，其中：所述第一斩波器的转速为第二斩波器转速的2倍。
在所述光谱仪中，其中：所述激光脉冲整形装置包括第二平面反射镜(15)、光调制系统(16)、第三平面反射镜(17)；所述光调制系统(16)由2个光栅，一对透镜和中间放置的空间光调制器组成；激光脉冲由第二平面反射镜(15)反射并经过第一个光栅色散后，不同频率的光在角度上被分开，入射光在第一个凸透镜的后焦面上从时域转换到了频域，然后通过焦点中心放置的空间光调制器对激光脉冲的频率、相位及幅值进行调制，再经过第二个凸透镜及光栅后，激光脉冲重新转换到时域，从而获得整形好的脉冲，从第三平面反射镜(17)输出。
在所述光谱仪中，其中：第一电控位移时间延迟平台(14)、第二电控位移时间延迟平台(31)、第三电控位移时间延迟平台(19)通过改变光束的光程长度进而改变光束达到样品池(36)的时间。第一电控位移时间延迟平台(14)、第二电控位移时间延迟平台(31)、第三电控位移时间延迟平台(19)的运动由计算机控制。每个电控位移时间延迟平台与光反射器组成光谱仪的光学延迟线系统，光反射器由两个相互垂直且都垂直于入射光平面的平面反射镜组成，或用中空角镜组成，以方便光路调节。
在所述光谱仪中，其中：宽波段可调谐飞秒激光光源由飞秒激光器输出，飞秒激光器能输出单波长(800)nm的光束，经由非线性参量放大装置3或6进行调谐，可产生波长范围245nm到2700nm的宽波段脉冲。
在所述光谱仪中，其中：第一斩波器(23)和第二斩波器(33)的触发信号是飞秒激光器的触发信号。
在所述光谱仪中，其中：所述光谱仪还包括第三凸透镜(38)和第五光阑(37)；所述第五光阑(37)用于抑制样品的杂散光，所述第三凸透镜用于将要采集的光谱进行会聚。
在本公开中，样品池为光程不超过1mm的密封搅拌比色池，或流动样品池，或旋转样品池，或使用薄膜样品。
在所述光谱仪中，其中：所述光谱仪还包括光谱信号采集装置，所述光谱信号采集装置包括光纤探头(39)、聚焦装置(40)、探测器(41)；所述光纤探头(39)、聚焦装置(40)、探测器(41)通过光纤连接；光谱信号经光纤探头(39)采集后，通过聚焦装置(40)进行聚焦后，输出至探测器(41)。
在另一个实施例中，提供了一种根据上述光谱仪进行多时序同步控制的方法，所述方法包括下述步骤：
调整泵浦光和激发/亏蚀光的偏振方向一致，调整探测光和泵浦光的偏振方向成魔角；
控制泵浦光到达样品池，将基态粒子激发到高激发态；
控制激发/亏蚀光到达样品池的时间相对于泵浦光延迟，将高激发态布局带回基态的高振动态；
控制泵浦光、激发/亏蚀光达到样品池，诱导激发态的样品产生差分信号，将该差分信号记作PDP(λ，t)；
式(1)中：Ion-on(λ，t)为测得的有泵浦光及激发/亏蚀光时在t时刻λ波长处的信号光强度；Ioff-off(λ，t)为测得的无泵浦光及激发/亏蚀光光时在t时刻λ波长处的信号光强度；
控制激发/亏蚀光达到样品池，诱导激发态的样品产生差分信号，将该差分信号记作DP(λ，t)；
式(2)中，Ioff-on(λ，t)为测得的无泵浦光但有激发/亏蚀光时在t时刻λ波长处的信号光强度；Ioff-off(λ，t)为测得的无泵浦光及激发/亏蚀光时在t时刻λ波长处的信号光强度；
控制泵浦光达到样品，通过泵浦光诱导激发态的样品产生差分信号，将该差分信号记作PP(λ，t)；
式(3)中，Ion-off(λ，t)为测得的有泵浦光但无激发/亏蚀光时在t时刻λ波长处的信号光强度；Ioff-off(λ，t)为测得的无泵浦光及激发/亏蚀光时在t时刻λ波长处的信号光强度；
将上述差分信号代入下式计算获得双差分信号，将该双差分信号记作ΔΔOD(λ，t)：
ΔΔOD(λ，t)＝PDP(λ，t)-DP(λ，t)-PP(λ，t) (4)。
在这个实施例中，t时刻由时间延迟平台控制，所述时间延迟平台包括第一电控位移时间延迟平台(14)、第二电控位移时间延迟平台(31)、第三电控位移时间延迟平台(19)。通过空间换时间，比如时间延迟平台走一步，该光程路径变化3um，那么经过时间延迟平台控制的光路相对未使用时间延迟平台控制的光路，两者的光程差为3um，根据光速，距离3um光在传播时需要10fs，所以时间延迟平台每走一步就代表时间走了10fs,若走n步相当于时间长度t，那么t转换到空间即为n×10fs。基于此，时间平移台每走一步所在的t时刻可以同时采集Ion-on(λ，t)、Ioff-off(λ，t)、Ioff-on(λ，t)、Ion-off(λ，t)等信号，然后代入上面的公式(1)-(4)，通过计算得到上面的差分和双差分信号。
在一个实施例中，对于各路初始输入为基频ω的激光脉冲，系统通过控制第一斩波器和第二斩波器(Chopper)的转速来调制泵浦光和push(激发)/dump(亏蚀)光束，以获取不同重复频率的输出脉冲(泵浦光为ω/4,push/dump光为ω/2)。这样到达样品的探测光的频率为基频光ω，而泵浦光的频率为ω/4,push/dump光的频率为ω/2，然后对这三束不同重复频率的光束进行高度同步控制后，以采集获取在各时间t处的Ion-on(λ，t)、Ioff-off(λ，t)、Ioff-on(λ，t)、Ion-off(λ，t)等信号，并进一步通过计算获取各差分信号PDP(λ，t)，DP(λ，t)，PP(λ，t)，乃至双差分信号ΔΔOD(λ，t)。
在一个实施例中，上述实施例中的第一斩波器和第二斩波器使用高速开关代替。
在一个实施例中：使用本公开的光谱仪研究了二乙氨基羟基黄酮(4’-N,N-diethylamino-3-hydroxyflavone，DEAHF)分子的质子转移机理(图3-a、图3-b)。由于二乙氨基羟基黄酮分子存在的激发态分子内质子转移，在多种溶液中均表现出双荧光的特性，其激发态分子内质子转移的速率与溶剂极性显著相关。但目前对于该分子的基态反向质子转移过程知之甚少。本实施例利用飞秒宽带泵浦-探测瞬态吸收光谱及泵浦-亏蚀-探测的多脉冲控制瞬态吸收光谱技术，研究了DEAHF在四氢呋喃溶液中的激发态与基态的质子往复运动。依据含时密度泛函计算结果，该分子在激发态与基态的质子转移过程均存在势垒。由飞秒瞬态吸收光谱可知，DEAHF的分子内电荷转移态向质子转移态的质子转移过程的时间常数约为7ps。利用多脉冲控制光谱技术，布居并直接探测了基态的质子转移态，观测到了对应于基态反向质子转移的快回复过程(3ps)，并分析了分子内电荷转移态和激发态质子转移态布居数平衡重新调整的过程，通过对此类四能级质子转移体系的光循环过程进行研究，有利于加深对异构体分子暗过程的动力学理解。
在一个实施例中：利用本公开光谱仪对测量时间分辨光谱性能进行研究。采用五联噻吩(α-Quinquethiophene)的0.1mmol/L甲苯溶液为样品，泵浦光为400nm，dump(亏蚀)光为600nm，测量飞秒时间分辨泵浦-亏蚀-探测光谱信号，得到的飞秒时间分辨泵浦-亏蚀-探测光谱信号如图4-a、图4-b所示。
尽管以上结合附图对本发明的实施方案进行了描述，但本发明并不局限于上述的具体实施方案和应用领域，上述的具体实施方案仅仅是示意性的、指导性的，而不是限制性的。本领域的普通技术人员在本说明书的启示下和在不脱离本发明权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多种的形式，这些均属于本发明保护之列。

Claims (9)

1.一种飞秒宽带泵浦-激发/亏蚀-探测光谱仪，其特征在于：
所述光谱仪产生泵浦光、探测光以及激发/亏蚀光；
所述光谱仪能够对泵浦光、激发/亏蚀光进行双斩波调制，并能控制激发/亏蚀光、探测光到达样品的时序，实现样品的差分光谱探测；
其中，探测光为超连续探测脉冲，与泵浦光的偏振方向为54.7度；
并且泵浦光、激发/亏蚀光的偏振方向一致；
所述光谱仪包括宽波段可调谐飞秒激光光源；
所述宽波段可调谐飞秒激光光源用于产生激光光束，所述激光光束经第一分束片(2)分成第一光束、第二光束；
所述第一光束经第二分束片(4)分成第三光束和第四光束；
所述第二光束经第一非线性光参量放大装置(3)调谐、激光脉冲整形装置调制产生激发/亏蚀光；
所述第三光束经非线性透明介质(10)产生超连续探测光；
所述第四光束经第二非线性光参量放大装置(6)调谐产生泵浦光。
2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：
所述光谱仪在激发/亏蚀光的光路上设置第一电控位移时间延迟平台(14)、第一斩波器(23)，通过所述第一电控位移时间延迟平台(14)控制所述激发/亏蚀光到达样品池的时间，通过所述第一斩波器(23)控制是否透过激发/亏蚀光；
所述光谱仪在泵浦光的光路上设置第二电控位移时间延迟平台(31)、第二斩波器(33)，通过所述第二电控位移时间延迟平台(31)控制所述泵浦光到达样品池(36)的时间，通过所述第二斩波器(33)控制是否透过泵浦光；
所述光谱仪在探测光的光路上设置有第三电控位移时间延迟平台(19)，通过所述第三电控位移时间延迟平台(19)控制所述探测光到达样品池(36)的时间。
3.根据权利要求2所述的光谱仪，其特征在于：
所述第一斩波器的转速为第二斩波器转速的2倍。
4.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：
所述激光脉冲整形装置包括第二平面反射镜(15)、光调制系统(16)、第三平面反射镜(17)；
所述光调制系统(16)由2个光栅，一对透镜和中间放置的空间光调制器组成；
激光脉冲由第二平面反射镜(15)反射并经过第一个光栅色散后，不同频率的光在角度上被分开，入射光在第一个凸透镜的后焦面上从时域转换到了频域，然后通过焦点中心放置的空间光调制器对激光脉冲的频率、相位及幅值进行调制，再经过第二个凸透镜及光栅后，激光脉冲重新转换到时域，从而获得整形好的脉冲，从第三平面反射镜(17)输出。
5.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：
所述光谱仪还包括第三凸透镜(38)和第五光阑(37)；
所述第五光阑(37)用于抑制样品的杂散光，所述第三凸透镜用于将要采集的光谱进行会聚。
6.根据权利要求5所述的光谱仪，其特征在于：
所述光谱仪还包括光谱信号采集装置，所述光谱信号采集装置包括光纤探头(39)、聚焦装置(40)、探测器(41)；
所述光纤探头(39)、聚焦装置(40)、探测器(41)通过光纤连接；
光谱信号经光纤探头(39)采集后，通过聚焦装置(40)进行聚焦后，输出至探测器(41)。
7.根据权利要求6所述的光谱仪，其特征在于：
所述光谱仪分别在探测光的光路上设置第一半波片(21)，在激发/亏蚀光的光路上设置第二半波片(24)、偏振片(25)，在泵浦光的光路上设置第三半波片(34)，从而获得偏振方向一致的泵浦光和激发/亏蚀光，以及偏振方向成54.7度的探测光和泵浦光。
8.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于：
所述光谱仪通过第一凸透镜(9)将第三束光聚焦到非线性透明介质(10)，在经过非线性透明介质(10)倍频调节之后，通过第二凸透镜(11)进行准直，再通过第二滤波片(12)将剩余的基频光滤掉后得到探测光。
9.一种根据权利要求1-8任一项所述的光谱仪进行多时序同步控制的方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
调整泵浦光和激发/亏蚀光的偏振方向一致，调整探测光和泵浦光的偏振方向成魔角；
控制泵浦光到达样品池，将基态粒子激发到高激发态；
控制激发/亏蚀光到达样品池的时间相对于泵浦光延迟，将高激发态布局带回基态的高振动态；
控制泵浦光、激发/亏蚀光达到样品池，诱导激发态的样品产生差分信号，将该差分信号记作PDP(λ，t)；
式(1)中：Ion-on(λ，t)为测得的有泵浦光及激发/亏蚀光时在t时刻λ波长处的信号光强度；Ioff-off(λ，t)为测得的无泵浦光及激发/亏蚀光光时在t时刻λ波长处的信号光强度；
控制激发/亏蚀光达到样品池，诱导激发态的样品产生差分信号，将该差分信号记作DP(λ，t)；
式(2)中，Ioff-on(λ，t)为测得的无泵浦光但有激发/亏蚀光时在t时刻λ波长处的信号光强度；Ioff-off(λ，t)为测得的无泵浦光及激发/亏蚀光时在t时刻λ波长处的信号光强度；
控制泵浦光达到样品，通过泵浦光诱导激发态的样品产生差分信号，将该差分信号记作PP(λ，t)；
式(3)中，Ion-off(λ，t)为测得的有泵浦光但无激发/亏蚀光时在t时刻λ波长处的信号光强度；Ioff-off(λ，t)为测得的无泵浦光及激发/亏蚀光时在t时刻λ波长处的信号光强度；
将上述差分信号代入下式计算获得双差分信号，将该双差分信号记作ΔΔOD(λ，t)：ΔΔOD(λ，t)＝PDP(λ，t)-DP(λ，t)-PP(λ，t) (4)。
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Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109632705A (zh) * 2019-01-15 2019-04-16 西安文理学院 单次激发飞秒时间分辨吸收光谱测量装置
CN110146410B (zh) * 2019-05-09 2020-06-12 上海交通大学 基于差分吸收法的原子密度及布居数的测量装置及方法
CN111307756A (zh) * 2019-11-20 2020-06-19 南京航空航天大学 一种可调频的超快时间分辨瞬态反射光谱仪
CN113008840B (zh) * 2021-02-22 2023-01-17 西北核技术研究所 基于激光泵浦探测的闪烁材料瞬态过程表征系统和方法
CN113203700A (zh) * 2021-04-15 2021-08-03 北京大学 一种可见泵浦-红外探测二维光谱测量系统及方法
CN113092379B (zh) * 2021-04-16 2022-06-21 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 空间分辨瞬态系统
CN117129426A (zh) * 2023-08-08 2023-11-28 华东师范大学 一种超快时间分辨圆偏振发射光谱仪

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1794079A (zh) * 2005-12-30 2006-06-28 中国科学院化学研究所 飞秒时间分辨的荧光亏蚀系统
CN104236711A (zh) * 2014-09-29 2014-12-24 哈尔滨工业大学 一种用于分子超快动力学研究的飞秒cars三维光谱探测系统及探测方法
CN104422519A (zh) * 2013-09-02 2015-03-18 中国科学院大连化学物理研究所 一种模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪
EP3054003A1 (de) * 2015-02-09 2016-08-10 JenLab GmbH Verfahren und vorrichtung zur reprogrammierung von lebenden zellen
CN106908422A (zh) * 2017-01-22 2017-06-30 河北大学 一种非共线光参量放大荧光光谱仪的数据采集方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1794079A (zh) * 2005-12-30 2006-06-28 中国科学院化学研究所 飞秒时间分辨的荧光亏蚀系统
CN104422519A (zh) * 2013-09-02 2015-03-18 中国科学院大连化学物理研究所 一种模块化飞秒时间分辨瞬态吸收和荧光亏蚀二合一光谱仪
CN104236711A (zh) * 2014-09-29 2014-12-24 哈尔滨工业大学 一种用于分子超快动力学研究的飞秒cars三维光谱探测系统及探测方法
EP3054003A1 (de) * 2015-02-09 2016-08-10 JenLab GmbH Verfahren und vorrichtung zur reprogrammierung von lebenden zellen
CN106908422A (zh) * 2017-01-22 2017-06-30 河北大学 一种非共线光参量放大荧光光谱仪的数据采集方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ENERGY TRANSFER KINETICS IN C-PHYCOCYANIN FROM CYANOBACTERIUM WESTIELLOPSIS PROLIFICA STUDIED BY PUMP-PROBE TECHNIQUES;A. D. Xia等;《BIOCHEMICAL AND BIOPHYSICAL RESEARCH COMMUNICATIONS》;19910830;第179卷(第1期);第558-564页 *
脉冲激光频域干涉技术在泵浦探测试验中的应用;翁继东等;《光电工程》;20100430;第37卷(第4期);第34-38页 *
飞秒荧光亏蚀光谱技术研究液相体系取向弛豫;刘建勇等;《化学物理学报》;20030630;第16卷(第3期);第161-162页 *

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