泵浦探測瞬態(tài)吸收光譜儀

泵浦探測瞬態(tài)吸收光譜儀必要的關(guān)鍵部件有作為光源的飛秒脈沖激光器、提供時(shí)間延遲的延遲線、進(jìn)行探測的光強(qiáng)探測器三個(gè)部分。

上世紀(jì)，超短脈沖激光器有了突破性進(jìn)展，可以提供fs級別的超短脈沖作為超快過程研究中的光探針。脈沖激光具有MHz到kHz不等的重頻，即一個(gè)個(gè)脈沖存在ns到ms不等的時(shí)間間隔，遠(yuǎn)大于fs級別的超快過程，所以泵浦-探測可以看作是在許多個(gè)脈沖周期中對樣品重復(fù)激發(fā)和探測的所得信號(hào)的疊加。

時(shí)間延遲的實(shí)現(xiàn)方式有異步光學(xué)采樣和電動(dòng)平移臺(tái)。異步光學(xué)采樣不會(huì)用到機(jī)械部件，工作較為穩(wěn)定。主要采用兩臺(tái)工作在不同重復(fù)頻率的超快激光器使得泵浦光和探測光的光脈沖在時(shí)間上不*重疊，如同長度測量時(shí)的游標(biāo)卡尺，如附圖(b)。電動(dòng)平移臺(tái)是實(shí)現(xiàn)時(shí)間分辨為常見的一種方式，可見圖c。在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下載有一對平面鏡的平移臺(tái)前后移動(dòng)，根據(jù)光速進(jìn)行換算則可以通過控制移動(dòng)的空間距離調(diào)整探測光相對于泵浦光的光程差，進(jìn)而對樣品進(jìn)行不同時(shí)間的掃描。

信號(hào)的探測可以用各種光強(qiáng)探測器比如光譜儀、CCD、APD、PMT等。經(jīng)過前文的分析，時(shí)間延遲通過延遲線得到控制與調(diào)整，探測器的響應(yīng)時(shí)間已經(jīng)無需做任何要求。

弱信號(hào)探測

在泵浦-探測技術(shù)中，被測樣品的信號(hào)一般都比較弱，而且，光路中的雜散光、光源與探測器的不穩(wěn)定都會(huì)產(chǎn)生背景噪聲。一般采用鎖相放大器對弱信號(hào)進(jìn)行探測

利用鎖相放大器時(shí)，對泵浦光進(jìn)行調(diào)制，并將調(diào)制頻率作為參考信號(hào)，光電探測器信號(hào)中只有與參考信號(hào)頻率相同的部分才會(huì)被鎖相探測、放大并輸出，達(dá)到提高信噪比的目的。調(diào)制可以用斬光器(Chopper)、聲光調(diào)制器(AOM)或電光調(diào)制器(EOM)。斬光器利用機(jī)械遮擋與通過的方式控制光的通斷，聲光、電光調(diào)制器通過電控可以達(dá)到更高的調(diào)制頻率(MHz級別)，獲得更高的信噪比。

2.3 時(shí)間分辨技術(shù)對比

超快時(shí)間分辨技術(shù)還有許多種，比如條紋相機(jī)、四波混頻(Four-Wave Mixing)、Z掃描(Z-scan)、光學(xué)克爾效應(yīng)(Optical Kerr Effect)、雙光子熒光(Two-Photon Photoluminescence)等。相比其他探測技術(shù)，泵浦-探測技術(shù)由于可以根據(jù)具體需要研究的過程選取激發(fā)光探測信號(hào)類型，也可以選擇電、熱等其他方法進(jìn)行泵浦和探測，具有很大改造空間和適用范圍。

應(yīng)用范圍和作用

對于化學(xué)研究，艾哈邁德﹒澤維爾(Ahmed H. Zewail)通過泵浦-探測研究了ICN解離出I原子的動(dòng)力學(xué)演化過程，首先從實(shí)驗(yàn)中觀察到了基元反應(yīng)過程，獲得了1999年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)，開創(chuàng)了飛秒化學(xué)這一研究領(lǐng)域。此外，由于泵浦-探測技術(shù)可以提供電子能級、載流子動(dòng)力學(xué)等信息，在納米材料、半導(dǎo)體材料的鑒別、性質(zhì)研究等領(lǐng)域起到作用。在生物學(xué)領(lǐng)域，1995年*在體外對染料標(biāo)記的細(xì)胞進(jìn)行激發(fā)[，提供了一種無需高速探測器的熒光壽命研究方法。