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。     

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.     

泵浦-探测虚拟仿真实验项目的操作训练及其效果评估

华东师范大学与科大奥锐科技有限公司校企合作自行研发的"超快光场和物质相互作用虚拟仿真实验平台"可以搭建泵浦-探测(pump-probe)实验光路,测量并数据模拟出半导体材料砷化镓(GaAs)与低温生长砷化镓(LTGaAs)光生载流子的弛豫时间.该泵浦-探测虚拟仿真实验不仅可以帮助学生掌握泵浦-探测的基本探测原理、半导体材料能带结构与超快载流子的动力学过程,也可以培养学生的实验操作技能,了解泵浦-探测技术、锁相放大技术的关键操作步骤.针对学习《光谱测量技术》的学生,首先讲述泵浦-探测技术原理后,引导学生使用该泵浦-探测虚拟仿真实验,并对学生进行了虚拟仿真实验使用的前后测评,利用SPSS科学统计软件对前后测结果进行分析,发现学生通过虚拟仿真实验项目操作训练后,对泵浦-探测的理论知识与技术要点的掌握程度都有不同程度的提高.通过泵浦-探测虚拟仿真实验对学生理论掌握与实验操作训练的效果分析,可以探索出虚拟仿真实验辅助理论课的新型混合式教学模式.     

飞秒时间分辨实验中泵浦-探测交叉相关函数的测量和时间零点的确定

飞秒激光技术的出现使得实时探测与跟踪激发态超快弛豫动力学过程成为可能,并能够给出激发态动力学过程清晰的物理图像。而在飞秒时间分辨实验中,泵浦-探测相关函数和时间零点直接影响实验结果的可靠性和准确性。本文结合飞秒激光在分子激发态超快动力学过程中的应用进展,介绍了根据实验条件和要求,在具体实验过程中泵浦-探测相关函数测量和时间零点确定的几种方法。实验中选择可见光作为泵浦光和探测光时,可以通过测定随泵浦-探测时间延迟变化的泵浦激光与探测激光的和频/差频光强来确定泵浦探测交叉相关函数和时间零点;而选择中心波长在紫外甚至真空紫外的激光脉冲作为泵浦光或探测光时,泵浦-探测交叉相关函数通常采用校正的方法测量。     

超快时间分辨光电子显微镜技术及应用

光电子显微镜是一种基于光电效应的电子显微镜,利用样品不同空间位置光电子产量的差异作为图像衬度进行投影成像。其成像速度快、空间分辨率高、探测无损伤等特点和优势,在表面科学、表面等离激元学、半导体学等学科有着广泛应用。另外,结合超快光泵浦探测技术为光电子显微镜提供了高时间分辨能力,特别适用于高时空分辨的动力学过程研究。时间分辨光电子显微镜是具备多维度直观测量的技术方法,为研究人员开辟了新的道路。文章首先简要回顾电子显微成像技术的发展,然后介绍在表面等离激元学和半导体物理领域中应用光电子显微镜的最新进展,最后介绍北京大学最近建设的超快光电子显微镜系统和相关研究工作及展望。     

飞秒超快光谱技术及其互补使用

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。     

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.     

超快电子衍射研究分子动力学

随着超快激光、超快X射线和超快电子束技术在近年的快速发展,通过泵浦探测的方法在超快的尺度观察原子运动正逐步成为可能. 本综述将讨论如何利用超快电子衍射技术探测激光激发的分子动力学过程. 此技术以电子束为探针,能以飞秒量级的时间分辨率和埃量级的空间分辨率追踪激光触发的原子运动. 阐述超快电子衍射技术的基本原理和最新进展,同时介绍其在研究分子动力学方面的代表性工作. 这项“桌面级”的技术和X射线自由电子激光大科学装置互补,预期将在化学反应动力学领域发挥重要作用.     

超快电子衍射研究分子动力学（英文）

随着超快激光、超快X射线和超快电子束技术在近年的快速发展,通过泵浦探测的方法在超快的尺度观察原子运动正逐步成为可能.本综述将讨论如何利用超快电子衍射技术探测激光激发的分子动力学过程.此技术以电子束为探针,能以飞秒量级的时间分辨率和埃量级的空间分辨率追踪激光触发的原子运动.阐述超快电子衍射技术的基本原理和最新进展,同时介绍其在研究分子动力学方面的代表性工作.这项"桌面级"的技术和X射线自由电子激光大科学装置互补,预期将在化学反应动力学领域发挥重要作用.     

二氯亚砜分子三体解离研究

本文利用飞秒时间分辨的质谱技术,研究了二氯亚砜分子在235 nm泵浦下的超快光解过程.实验记录了母体离子产率随泵浦-探测延迟时间的变化趋势,测得235 nm泵浦下的初始激发态寿命为166 fs.需要注意的是,实验中不仅观察到了二氯亚砜分子逐步解离过程还观察到了协同解离过程.     

二氯亚砜分子三体解离研究（英文）

本文利用飞秒时间分辨的质谱技术,研究了二氯亚砜分子在235 nm泵浦下的超快光解过程.实验记录了母体离子产率随泵浦-探测延迟时间的变化趋势,测得235 nm泵浦下的初始激发态寿命为166 fs.需要注意的是,实验中不仅观察到了二氯亚砜分子逐步解离过程还观察到了协同解离过程.     

三重简并拓扑半金属磷化钼的时间分辨超快动力学

拓扑半金属磷化钼(MoP)同时具有三重和二重简并费米子.为了研究其费米面以上的激发态超快动力学特性,对其进行了时间分辨超快泵浦-探测实验.获得了MoP的准粒子动力学,包含来源于电子-声子散射的快分量,寿命为0.3 ps,以及来源于声子-声子散射的慢分量,寿命为150 ps.温度依赖的研究表明,快分量和慢分量的弛豫寿命均随着温度的增加产生微小增大.同时还激发并探测到一支相干态声学支声子,其由热应力引起,频率为0.033 THz且不随温度而改变.对于MoP激发态准粒子超快动力学以及相干态声子的研究为理解该体系总体的激发态超快动力学特性以及电子-声子相互作用对温度的依赖提供了有益的实验依据.     

Co膜中多次超快瞬态反射突变现象研究

飞秒激光泵浦瞬态热反射技术是研究金属薄膜超快动力学的有效手段,这种技术具有两大突出特点：首先,可以揭示飞秒激光激发的微观电、声子的传输过程是一个非平衡热输运过程。其次,反射率瞬态变化实验中电子运动的超短时间分辨可以用来研究热过程中电子的非平衡相互作用情况。利用磁控溅射真空镀膜技术,在玻璃衬底和硅衬底上蒸镀了不同厚度的Co单层膜,Cr,Co双层膜以及Ag,Co双层膜。利用飞秒激光瞬态反射技术研究了Co膜及其双层膜的瞬态反射率响应。结果表明,在同一厚度的Co膜样品上,施加不同的泵浦光功率时,Co膜内电子的加热时间与泵浦光功率的大小无关,均为0.1344 ps。而对于不同厚度的Co膜,电子的热化时间与薄膜厚度直接相关。此外,发现与以往研究结果不同的是,在泵浦光功率足够大时,玻璃衬底上的Co膜在飞秒激光脉冲泵浦下会出现两次或三次瞬态反射率下降现象,Co膜厚度决定了Co膜内瞬态反射率突变的次数,即Co膜内电子的超快动力学变化次数。     

基于瞬态光克尔效应的超快光学快门技术

系统介绍了几种基于瞬态光克尔效应的超快光学快门技术,包括传统的光克尔双折射快门技术,瞬态光栅快门技术,以及利用瞬态克尔透镜效应的光学快门技术。这些技术都是在泵浦-探测的实验配置基础上,利用门控光对克尔介质折射率的瞬态调制导致的信号光的相位（偏振态）、传播方向或光束发散角等光学特性的改变实现对信号光的超快时间分辨测量。对比讨论了这些超快快门技术的工作原理和实验配置,结果表明瞬态光束偏折快门技术相比其他快门技术具有无偏振配置要求、无相位匹配条件、超宽带光谱响应范围的特点,在光与物质相互作用的超快动力学研究中具有更为广阔的应用前景。     

仪器和设备

采用OPSL泵浦技术的高性能C超ohe短ren脉t(相冲干振)公荡司器最新高性价比超快振荡器,适用于超短脉冲、超宽带宽应用.Mantis采用固定波长和带宽的简化设计,操作简便、性价比高.具体来说,Mantis输出超过300mW的平均功率,以800nm为中心波长,带宽超过70nm,脉宽可以通过外部CPC小型脉冲压缩器压缩至20fs以下.Mantis是第一台内置OPSL泵浦激光器的超快激光器系统.与传统的DPSS泵浦激光器不同,输出5W泵浦绿光的是Coherent(相干)公司专利的OPSL光泵半导体激光器.OPSL技术近几年来已经被广泛应用于生物仪器等OEM领域.Mantis的主要应用…     

高相干超快电子源研究进展

以原子级时空分辨监测物质的动力学行为并从最根本层面理解自然界中的微观基本过程一直是飞秒物理、飞秒化学以及飞秒生物学研究的目标.时间分辨电子衍射巧妙地结合了抽运-探测技术和电子衍射技术,可实现直接"观察"和"冻结"类似的超快过程.然而,目前常用的超快电子探针的横向相干性仍受到电子源的初始尺寸、有效温度、能量弥散以及电子间固有库仑排斥的限制,还很难分辨化学和生物相关的复杂有机分子.近年来大量研究工作都集中在发展高相干的超短电子源,其不仅对时间分辨电子衍射研究起到推动作用,也将极大地促进超快电子显微镜、相干衍射成像以及叠层成像等的发展.本综述以相干性为主线,介绍了几种常用平面阴极光电发射源的研究进展,并从产生机理、独有特性和实验成果方面讨论了尖端发射源和冷原子电子源这两类新型的高相干超快电子源,最后对衍射技术的相干性发展和未来应用进行了展望.     

2-甲基吡嗪分子激发态系间交叉过程的飞秒时间分辨光电子影像研究

飞秒时间分辨光电子影像技术和飞秒时间分辨质谱技术相结合,研究了2-甲基吡嗪分子电子激发态超快非绝热弛豫动力学.用323 nm光作为泵浦光,把2-甲基吡嗪分子激发到第一激发态S_1,用400 nm光探测激发态演化过程.通过时间分辨质谱技术测得S_1态的寿命为98 ps.实验中,实时观察到了单重态S_1向三重态T_1的系间交叉过程.通过分析发现,跟吡嗪分子S_1态的动力学过程不同,2-甲基吡嗪分子激发到S_1态后,不仅S_1→T_1系间交叉过程是S_1态主要衰减通道,S_1→S_0内转换过程也是S_1态另一个主要衰减通道.发挥飞秒时间分辨光电子影像技术的优点,实验上得到不同泵浦-探测时间延迟的光电子角分布,从角分布信息结合光电子能谱信息,尝试观察2-甲基吡嗪分子的非绝热无场准直,但由于2-甲基吡嗪分子对称性比吡嗪分子更低,对称性更低分子准直现象的观察更有挑战性,在实验中未能观察到非绝热准直动力学.本工作为2-甲基吡嗪分子S_1态非绝热弛豫动力学提供了较清楚的物理图像.     

封面故事

正超快动力学和高压物理学以往是两个独立的凝聚态物理学科,如果将二者结合起来,不仅实现了仪器研发的突破和进步,而且发现压强诱导的超快动力学特性,将有望开启一个新的交叉领域。中国科学院物理研究所赵继民研究组与高压科学研究中心丁阳研究组合作,成功搭建了一套真正原位(on-site in situ)的高压泵浦—探测超快     

泵浦-探测实验影响因素的研究

结合泵浦-探测技术在材料非线性光学特性测量中的应用,介绍了影响泵浦-探测实验结果的几个因素,如样品厚度、样品距泵浦光会聚透镜焦点的距离、泵浦光强度等。通过40ps脉冲条件下的C60-甲苯溶液的实验结果证实了在满足薄样品近似条件下,使用厚一点的样品获得的泵浦-探测信号较大;样品放置距离泵浦光会聚透镜焦点较近时,泵浦-探测信号较大;在一定的泵浦光强范围内,泵浦光强度增大,泵浦-探测信号会随之增强。同时,对这几个因素影响实验结果的原因给与了简单解释。这些结论对于应用泵浦-探测技术探索材料非线性光学特性的物理本质具有实际的指导意义。     

二氰胺根分子内费米振动耦合能量转移的超快二维红外光谱

二氰胺根离子(N(CN)-2,DCA)的C≡N对称及反对称伸缩振动(νas,C≡N和νss,C≡N)和N—C伸缩振动的和频峰(νas,N—C+νss,N—C)之间由于费米共振作用存在振动耦合。本文研究了二氰胺钠在DMSO溶液中的超快二维红外(2DIR)光谱和超快红外泵浦探测(IR PP)光谱。结合该体系的傅里叶变换红外(FTIR)光谱实验结果,对二氰胺根离子体系中的分子内振动能量转移过程进行了分析。