利用飞秒泵浦-探测技术对分子超快动力学过程研究的新进展

本刊讯 飞秒泵浦-探测技术是一种可以在原子运动时间尺度上实时观测化学反应的有力手段,在飞秒泵浦-探测技术基础上发展起来的分子超快动力学是当前分子反应动力学研究领域的热点和焦点之一。武汉国家光电实验室张冰团队一直从事分子超快动力学方面的研究。最近,该团队利用飞秒泵浦-探测技术与飞行时间质谱和光电子影像技术相结合,对碘甲烷分子的B带预解离超快动力学过程进行了研究并取得重大进展。     

阿秒范围电子动力学的直接观测

为研究一个系统的动力学过程，通常采用激光脉冲抽运实验的方法．实验中，用可见波长的抽运脉冲激光来激发该系统，并使用第二个探测脉冲对系统演化与脉冲问延迟的关系进行跟踪．在这种实验中，可达到的时间分辨依赖于激光脉冲的时间精度，但是这些脉冲通常要持续几个飞秒（fs，lfs=10^-15s），因此不能用于研究更快的过程．最近一项很有希望的进展是将脉冲压缩到了200as（as为阿秒，1as=10^-18s）．     

CdSe/CdS/ZnS 量子点体系中的超快载流子动力学

利用飞秒泵浦探测技术对CdSe/CdS/ZnS量子点体系中的超快载流子动力学过程进行了研究. 通过选择不同波长的泵浦光分别激发样品壳层和核层,研究了载流子在壳层和核层中的超快动力学过程. 实验结果表明,载流子在CdS壳层导带中弛豫过程非常迅速(约130 fs),时间明显短于载流子在CdSe核层导带中的弛豫时间(约400 fs). 实验中也发现在CdS壳层和CdSe核层的分界面存在一定量的缺陷态.     

DMSO溶剂中All-trans-astaxanthin激发态的飞秒时间分辨光谱

基于飞秒时间分辨瞬态吸收和多元瞬态光栅光谱技术对全反式Astaxanthin(AXT)在DMSO溶剂中的超快激发态弛豫动力学进行了观测.结果表明,光激发后AXT/DMSO体系直接发生S_0→S_2跃迁,基态漂白对应光谱范围为420~550nm.由S_2→S_1的内转换过程发生的时间常数为120~160fs.S_1态激发态吸收对应的光谱范围为550~740nm,基态漂白恢复过程对应的是S_1→S_0的内转换过程,其时间尺度为4.50~5.50ps.     

飞秒时间分辨质谱和光电子影像对分子激发态动力学的研究

分子量子态的研究,特别是分子激发态演化过程的研究不仅可以了解分子量子态的基本特性和量子态之间的相互作用,而且可以了解化学反应过程和反应通道间的相互作用.飞秒时间分辨质谱和光电子影像是将飞秒抽运-探测分别与飞行时间质谱和光电子影像相结合的超快谱学方法,为实现分子内部量子态探测,研究分子量子态相互作用及超快动力学过程提供了强有力的工具,可以在飞秒时间尺度下研究单分子反应过程中的光物理或光化学机理.本文详细介绍了飞秒时间分辨质谱和光电子影像的技术原理,并结合本课题组的工作,展示了这两种方法在量子态探测及相互作用研究领域,特别是激发态电子退相、波包演化、能量转移、分子光解动力学以及分子激发态结构动力学研究中的广泛应用.最后,对该技术的发展前景以及进一步的研究工作和方向进行了展望.     

苯乙炔分子电子激发态超快动力学研究

采用飞秒时间分辨质谱技术结合飞秒时间分辨光电子影像技术研究了苯乙炔分子电子激发态超快非绝热弛豫动力学.用235 nm光作为泵浦光,将苯乙炔分子激发到第二激发态S2,用400 nm光探测激发态的演化过程.时间分辨的母体离子的变化曲线用指数和高斯函数卷积得到不同的两个组分,一个是超快衰减组分,时间常数为116 fs,一个是慢速组分,时间常数为106 ps.通过分析时间分辨的光电子影像得到光电子动能分布,结合时间分辨光电子能谱数据发现,时间常数为116 fs的快速组分反映了S2态向S1态的内转换过程.实验还表明S1态通过内转换被布局后向T1态的系间窜跃过程为重要的衰减通道.本工作为苯乙炔分子S2态非绝热弛豫动力学提供了较清晰的物理图像.     

采用光谱展宽技术的钛宝石飞秒激光放大器

报道了飞秒激光啁啾脉冲放大器中的激光脉冲光谱展宽技术，实验中使用了几种光谱展宽元件，结果表明使用激光光谱展宽元件能有效地将飞秒激光脉冲 光谱展宽，抑制了飞秒激光放大器中常见的激光脉冲光谱增益窄化现象，从飞秒放大系统的振荡级输出28fs种子脉冲，放大后得到了重复频率为10Hz、峰值功率为1．6TW、脉冲宽度37．5fs的超短强飞秒激光脉冲 。     

高等植物外周捕光天线LHCⅡ中的超快光动力学过程

利用飞秒抽运探测技术及时间分辨荧光(TRPL)等光谱技术对高等植物LHCⅡ中的超快光动力学过程进行了研究。在其时间分辨荧光光谱中表现出了明显的各向异性特性。实验上观察了LHCⅡ中色素间的能量传递过程,由飞秒动力学发现,单体内Chlb到邻近的Chla之间的能量传递在200～300fs的时间尺度,Chla激子带间的能量弛豫发生在几百飞秒,不同单体Chla分子间能量分布过程在几个皮秒。而时间分辨荧光和飞秒动力学过程中上百皮秒的慢过程归属于不同聚集体间的能量平衡过程或分子构象变化。     

波长编码的单次高时空分辨全光学探针

激光探针法是捕捉超快动力学过程的主要方法之一,在等离子体物理、光化学、生物医学等领域都有着广泛的应用.本文提出一种时间波长编码的探针光产生方案,该方案通过级联不同相位匹配角的倍频晶体和独立的延迟线来实现时间波长编码,具有单次高时空分辨率、高帧率、时间窗口可调范围广、时间分辨率和时间窗口参数独立可调的优点.在实验中搭建了一套探针光产生装置,具有247 fs的时间分辨率、4 μm的空间分辨率、4.05 THz的最高帧率、时间窗口从亚皮秒到3 ns可调,将该装置用于捕捉飞秒激光诱导的光丝的动力学过程,证明该探针光产生方案用于捕捉超快动力学过程的可行性.在讨论中,分析了探针光关键参数能达到的极限帧率为35.7 THz,极限时间分辨率为28 fs,时间窗口的范围可以从百飞秒到几十个纳秒进行调节.探针光的高时空分辨率和参数互相独立可调的优点,为多时间尺度的超快动力学过程的单次高时空分辨捕捉提供了一种可行方案.     

声光偏转器扫描飞秒激光的时间色散补偿

研究了声光偏转器(AOD)扫描飞秒激光的时间色散效应及补偿方案.在800nm波长处，单个AOD引入的群延时色散(GDD)可达～9300fs².在深入分析AOD和棱镜角色散原理的基础上，提出了用色散棱镜预补偿AOD对飞秒脉冲的时间色散，并进行了实验证实.在AOD中心频率处(70MHz)，将398fs的脉冲压缩到122fs，且整个带宽范围内(50MHz—90MHz)脉宽变化范围为120fs—180fs.这表明该方案用于AOD扫描飞秒激光时进行时间色散补偿是非常有效的. 关键词： 飞秒激光 声光偏转器 时间色散 脉冲压缩     

飞秒相干态相位差分光谱学

 理论上证明了测量脉冲对激发的相干态布居等价于测量单脉冲激发的感应极化,能同时获得瞬态相干光学过程的振幅与相位信息,发展了双通道飞秒脉冲对实验技术,提出了相位差分光谱实验方法。研究了半导体GaAs和稀土材料的飞秒相干态动力学过程,根据自相关曲线和样品信号的关系得到相位光谱。理论拟合得液氮温度下GaAs的激子退相时间为190fs;单晶Nd:YVO₄和粉末Nd:YAG 4f电子在室温下的退相时间为300fs。并研究了液氮温度下稀土材料原子核波包的动力学过程。     

超高速分子摄影术——飞秒泵浦-探测方法在分子超快动力学研究中的应用

飞秒泵浦-探测技术是一种可以在原子运动时间尺度上实时观测化学反应的有力手段.利用飞秒泵浦-探测技术,可以实时观测化学反应过渡态,在分子层次上了解基元化学反应的过程和机理,从而深入地了解化学反应的本质和历程.文章介绍了飞秒泵浦-探测技术的基本原理以及在分子超快动力学研究中的应用,并结合作者所在研究小组的工作,展示了基于该技术的几种典型的飞秒光谱方法在分子超快动力学研究领域的主要成果.最后,展望了该技术的发展前景和方向.     

飞秒脉冲烧蚀单晶硅的超快动力学

利用基于Pump-probe系统的超快时间分辨阴影图的方法,研究了空气中飞秒激光烧蚀单晶硅的动力学过程。实验采用脉宽为50 fs、平均能量密度约35 J/cm2的单脉冲激光烧蚀单晶硅,获取飞秒激光烧蚀单晶硅过程中等离子体和冲击波的形成和发展过程的时间分辨阴影图。实验结果表明:飞秒激光烧蚀单晶硅导致其表面物质喷发的过程是不连续的,分为明显的两次喷发过程。这表明飞秒激光与单晶硅作用的过程中,在不同的时间段可能由不同的机制主导,在前期可能是多光子电离为主,在后期可能是由多光子效应和雪崩效应共同作用。研究还发现,延迟时间较长时,冲击波形状发生畸变。     

GaAs体材料及其量子阱的光学极化退相特性

采用飞秒时间分辨瞬态简并四波混频技术，在室温下测量了GaAs体材料及其量子阱材料GaAs/Al_0.3Ga_0.7As的光学极化超快退相时间，当激光中心波长为785nm，受激载流子浓度为10¹¹cm^-2时，它们的退相时间分别为28fs和46fs.量子阱材料的退相时间比体材料的长，这是由于量子阱中的载流子在垂直于GaAs/AlGaAs界面的运动受到限制，运动呈现二维特性，大大减小了载流子的散射概率.实验中观察到瞬态简并四波混 关键词： 时间分辨简并四波混频 飞秒激光脉冲 退相 密度矩阵     

化学反应飞秒相干动力学与激光相干控制——1999年诺贝尔化学奖介绍

文章主要介绍了１９９９ 年诺贝尔化学奖得主艾哈默德·泽维尔（Ａｈｍｅｄ．Ｈ．Ｚｅｗａｉｌ） 教授的获奖工作———用飞秒技术和飞秒光谱的方法研究化学反应飞秒相干动力学,叙述了它们的原理、方法和应用,并简要介绍了其获奖背景、重要意义、相关研究及应用展望．     

飞秒激光对高反膜的破坏及其超快动力学过程

研究了800nm飞秒激光照射下45°高反膜ZrO2-Si O2的破坏及其超快动力学过程。利用原子力显微镜和扫描电镜观察了材料的烧蚀形貌,测量了破坏阈值与脉冲宽度、烧蚀深度与脉冲能量的依赖关系。随着脉冲宽度从50fs增加到900fs,其烧蚀阈值从0.35J/cm2增加到1.78J/cm2。烧蚀深度与激光能流密度近似成对数关系。当激光强度略高于烧蚀阈值时,材料很快被烧蚀到几百纳米,烧蚀深度表现出明显的层状特性。同时,利用建立的抽运探针实验系统,测量了高强度抽运脉冲作用下材料对探针光的反射率随延迟时间的变化,揭示了薄膜烧蚀的超快动力学过程。实验结果表明高反膜表层的材料对烧蚀特性有重要影响。     

飞秒激光在光子晶体光纤中产生超连续光谱机制的实验研究

报道了利用零色散在780nm处的光子晶体光纤与纳焦耳量级的飞秒激光脉冲相互作用的实验结果.实验使用35fs，中心波长810—840nm，单脉冲能量可达14nJ的飞秒激光光源获得了超过一个倍频程的平坦超连续光谱（500—1100nm）.在不同功率、不同中心波长、不同啁啾和有无直流成分的多种飞秒脉冲激光的条件下，研究了超连续光谱的产生情况.并对一系列现象进行了对比，分析了超连续光谱产生的机制. 关键词： 光子晶体光纤 飞秒脉冲激光 超连续光谱     

飞秒时间分辨近场光学系统实现及其应用

结合飞秒光脉冲和近场光学显微镜，成功实现了飞秒时间分辨近场光学系统.系统通过高频声光调制和差频锁相探测，极大提高了信噪比并消除了抽运、探测光本底信号，从而在收集模式下测得了飞秒时间分辨的透射光微弱信号变化.同时获得了80nm的空间分辨和小于200fs的时间分辨测量.利用该实验系统，研究了金纳米结构的热电子弛豫动力学过程，观察到不同位置间热电子弛豫动力学的差异. 关键词： 飞秒近场 扫描近场光学显微镜 飞秒光脉冲 金纳米颗粒     

CS_2飞秒超快非线性特性的实验研究

采用中心波长800 nm、脉宽30 fs的超短激光脉冲,通过飞秒光开关技术对CS_2的飞秒超快非线性特性进行了实验研究.在探测光强与抽运光强比为1∶10时,得到了较理想的光克尔时间分辨曲线.通过实验测定的光克尔信号强度与激发光和探测光偏振方向夹角的依赖关系表明:30 fs的超短激光脉冲激发CS_2的克尔信号主要是源于光诱导双折射效应,而非用200 fs的超短激光脉冲时来自瞬态栅的自衍射效应.     

利用时间分辨的光电子影像技术研究2,6-二甲基吡啶分子锥形交叉超快动力学

利用时间分辨的飞秒光电子影像技术结合时间分辨的质谱技术,研究了2,6-二甲基吡啶分子锥形交叉超快动力学过程. 2,6-二甲基吡啶分子吸收266 nm泵浦光从基态跃迁至S₂态(π-π^*). 母体离子时间变化曲线包含两个指数函数,一个是时间常数为635 fs的快速组分,另一个是时间常数为4.37 ps的慢速组分. 通过时间分辨光电子影像得到的时间依赖的光电子角度分布和能量分辨的光电子谱分布提供了S₂态演变的动力学信息. 简言之,快速组分反映了通