有序分子体系的三阶和四阶非线性光谱学的实验可观测量和宏观感应率及微观极化率张量元

对于线性和非线性光谱，有序的分子体系(如分子界面和分子膜)的取向分析可以通过对形式非常简单的广义取向泛函．对于二阶非线性光谱学，即光学二次谐波和和频振动光谱，这一简化描述对于理解分子界面和膜的光谱和取向的细节很有助益．为了将这一简化描述应用于更高阶的相干非线性光谱学，对于具有旋转对称性的界面或膜的三阶和四阶非线性光谱学的实验可观测量和宏观感应率及微观极化率张量元进行了计算并得到了具体表达式．这些通用的表达式将有助于典型的三、四阶非线性光谱学，即光学三次谐波、简并的相干反斯托克斯拉曼光谱、光学四次谐波和简并     

用偏振荧光光谱表征乙醇-水团簇分子的取向行为

采用波长为236nm紫外光激励乙醇水溶液获得荧光光谱并对其偏振特性进行了研究.实验中分别改变入射光的偏振度，在300—400nm波段内进行荧光光谱、水平和垂直偏振荧光光谱检测.实验结果表明，当采用线偏振光照射乙醇水溶液时，其发射的荧光具有一定的偏振性，并计算了其偏振度.经理论分析得到了描述荧光偏振态的四个斯托克斯矢量，进而对该荧光的偏振状态进行了描述，通过对乙醇-水溶液的米勒矩阵的计算，对溶液中分子的取向特性进行了分析.本结果能对乙醇-水团簇分子的结构提供理论参考. 关键词： 荧光光谱 偏振光谱 斯托克斯矢量 米勒矩阵     

有机/无机薄膜凝胶动态过程的实时光学二次谐波产生研究

采用实时光学二次谐波产生(SHG)测量方法,以两亲性分子半花菁为掺杂探针分子,对溶胶-凝胶技术制备的玻璃薄膜的凝胶干燥的动态过程进行了研究.结合紫外—可见吸收光谱的测量,发现：因两亲性分子在膜中的自取向性可诱导出二阶光学非线性,溶胶-凝胶技术制备的有机/无机复合膜的凝胶干燥过程可通过薄膜SHG强度的变化半定量地反映.凝胶干燥收缩导致有序掺杂分子数减少,膜片的光学非线性减弱.该过程随薄膜处理温度的升高而急剧缩短;另外,有机分子在膜中的聚集程度随膜片处理温度的增加而很快减少. 关键词：     

Teflon AF/非线性光学聚合物驻极体双层膜的极化稳定性

提出制备Teflon AF/非线性光学聚合物驻极体双层膜系统来提高主客体掺杂型非线性光学聚合物驻极体中偶极分子的有序取向稳定性的设想.样品用恒压电晕充电法极化,通过测量电光效应的等温衰减监测偶极子有序取向稳定性,用开路热刺激放电、等温表面电位衰减测量等手段分析了材料的电荷动态特性.结果表明双层膜系统中偶极分子有序取向稳定性明显优于单层非线性光学聚合物驻极体,其松弛规律可用KWW扩展指数函数来描述. 关键词：     

高效级联量子耗散动力学计算相干二维光谱方法的发展

为了能够高效计算非线性光学响应函数,提出了级联方程组的混合海森堡-薛定谔方案以及块矩阵操作方法. 同时,这些方法也与最近发展的级联方程组的最优构建和过滤传播子相结合, 模拟了不同光学四波混频配置下激子二聚体模型体系的相干二维光谱,重点研究了其中分子间转移耦合和激子{激子相互作用的影响.     

Density Functional Theory Study of Infrared and Ultraviolet Spectra of Urea L-Malic Acid

用密度泛函理论研究了新型二阶非线性光学晶体-L苹果酸脲.采用一些密度泛函理论方法计算了分子结构,比较得出PBEPBE/6-31+G(d,p)是计算分子结构的一种最佳的方法,然后给出了其红外和紫外可见光谱,并与实验结果作了比较,还结合分子轨道布局分析了紫外可见光谱. 同时结合极化连续模型利用密度泛函理论方法研究了L苹果酸脲在水中的几何结构及红外和紫外可见光谱,并指出了溶剂化效应对其性质的影响.     

基于跃迁偶极矩取向特征研究乙醚溶液中分子的各向异性度

利用偏振荧光光谱和偏振激发光谱研究了乙醚溶液中荧光分子跃迁偶极距的取向特征.实验结果表明,在垂直线偏振光照射下,乙醚溶液发射出峰值位于305 nm的荧光谱,对应的最佳激励光波长为256 nm.由偏振激发光谱分析得到荧光体的吸收跃迁偶极矩和发射跃迁偶极矩间夹角α的变化规律,揭示了荧光去偏振过程：在粘性溶液中的荧光分子具有一定的偶极取向,α随激发光波长发生变化,当激发波长接近最佳激发光波长时,吸收跃迁偶极矩和发射跃迁偶极矩间趋于平行,荧光的退偏效果较弱,偏振度最大.研究结果能为分子空间取向特征的理论研究提供参考.     

生物医学领域中超连续激光光谱技术的研究进展

超连续谱激光指的是当泵浦激光穿过特殊光波导时,一系列的非线性效应引起入射激光束的光谱展宽,从而输出宽光谱激光束。随着超快激光和光子晶体光纤技术的发展,利用超短脉冲在光子晶体光纤中的传播链产生相干的且亮度高的超连续谱激光成为了一种理想的白光源。自从超连续谱激光源投入应用以来,其应用领域越来越广。尤其在生物医学的细胞、血液等样品分析当中,荧光光谱学、流式细胞仪、共焦显微、光学相干层析等技术都是强有力的分析工具,在采用这些先进技术的科学仪器中,超连续谱激光源成为了一种主要光学部件。首先对超连续谱激光源的国际研究进展作了详细介绍,然后对超连续激光光谱技术在显微成像、流式细胞仪、荧光寿命成像显微、荧光共振能量转移、光学相干层析、共焦显微生物医学分析等生物医学领域中的发展及应用作了综合阐述。对超连续激光光谱技术在非接触式血液制品鉴别的需求、方案及研究进展进行了重点论述,包括覆盖400～2 000 nm光谱范围的光纤化轻型超连续谱激光光源研究;采用超连续谱激光光谱方法探索不同物种血液的种属特征;根据大数据的血液样品光谱特征元数据库分析建立数学模型,利用数学模型实现对血液样品种属光谱学判定;血液鉴别光谱分析便携式整机系统研发等。对超连续激光光谱技术在生物医学领域的应用前景作了展望。     

非线性克尔效应对飞秒激光偏振的超快调制

研究了近红外飞秒激光的偏振在太赫兹频率的超快调制.利用抽运-探测光谱技术,通过改变两个脉冲之间的延迟时间可以控制光脉冲的旋转角.在Li：NaTb（WO₄）₂磁光晶体中观察到探测光的偏振随延迟时间变化的高速振荡,振荡信号的中心频率为0.19 THz.这种超快偏振调制现象可以解释为,抽运-探测实验构置中,前向传播的抽运光诱导的光学克尔非线性引起被晶体远端表面所反射的背向传播的探测光脉冲偏振面的额外旋转.通过改变抽运光的圆偏振旋性可以控制探测光调制信号的相位和振幅.实验结果表明,非线性光学克尔效应可以作为一种全新的手段,在磁光晶体中实现近红外飞秒激光以太赫兹频率的超快偏振调控.这将在超快磁光调制器等全光器件中得以应用.实验结果将有助于偏振依赖的超快动力学过程的研究.     

单金纳米棒远场散射光谱技术

单金纳米棒(gold nanorod AuNR)的远场光学技术在近几年引起了相当大的关注。由于金纳米棒(AuNRs)独特的局部表面等离子体共振(localized surface plasmon resonance LSPR)特性,金纳米棒颗粒非常适合高度传导定域在表面的化学或物理刺激产生的光信号。根据该课题组的研究经验,对AuNR的光学探测和光谱学方法的原理、应用、进展和纳米系统表现出新奇的光学特性进行了综述。较为全面地介绍了：(1)AuNR散射光谱相关的各类技术,包括：暗场技术,零差和外差技术,光子晶体技术,空间调制和偏振调制技术等;(2)AuNR散射光谱特性,包括：光谱线形函数,线宽,衬底对光谱的影响以及理论和实验光谱的对比等;(3)相关光谱技术近年来的发展。重点研究了基于LSPR的远场光学散射方法。主要是基于AuNR线性的方法,如直接和间接的散射检测方法。注重强调了介质环境(如底物,表面结合的分子或其他纳米材料等)的重要性以及对散射光谱和消光幅度的影响。特别注重的是AuNR表面及形貌的定量方法及其相关性研究,无论是直接的还是间接的散射的方法,大都给出实验与理论模型精确的比较。这些实验和理论工具的结合可以详细解释单金纳米棒的光学性质。     

全内反射构型下分子在十六烷-水界面取向角度的二次谐波测量

测量了在全内反射条件及非全内反射条件下,两种探针分子在十六烷-水界面上的取向角度.通过详细的偏振分析,发现探针分子在两种构型下的取向角度测量结果一致.表明全内反射条件下,取向角度的测量和偏振分析同样是准确且可行的.     

相干反斯托克斯拉曼及相干反斯托克斯超拉曼光谱微观极化率张量元的简化方案-C∞v对称性

相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS)和四阶相干反斯托克斯超拉曼光谱(CAHRS)广泛应用于分子界面和生物膜表面的研究。然而,高阶非线性光学过程中分子微观极化率张量元数量众多,关系复杂,使研究者对CARS和CAHRS很难进行定量分析。采取以下方案对属于C_∞v对称性的分子基团的CARS和CAHRS的微观极化率张量元进行简化。首先将CARS微观极化率张量元β_{i′j′k′l′}表示成拉曼微观极化率张量元微分α′_i′j′的乘积,CAHRS微观极化率张量元β_{i′j′k′l′m′}表示成超拉曼微观极化率张量元微分β′_i′j′k′和拉曼微观极化率张量元微分α′_i′j′的乘积,再利用α′_i′j′之间的比值及β′_i′j′k′之间的比值得到β_{i′j′k′l′}和β_{i′j′k′l′m′}之间的比值。使用这些CARS和CAHRS微观极化率张量元之间的关系,能够得到CARS和CAHRS光谱的广义取向泛函及其广义取向参数,进而对界面分子取向信息进行定量分析。     

相干振动动力学和高分辨非线性光谱学：空气/二甲亚砜液体界面的比较

研究了空气/二甲亚砜界面C?H伸缩振动的自由诱导衰减的相干振动动力学和亚波数高分辨宽带和频振动光谱．对于特定分子体系,频率域光谱测量和时间域动力学测量原则上应获得相同的信息．但对具有耦合或者重叠在一起的若干振动模式的分子体系,通过时域或者频域测量以获取光谱和动力学信息细节均非易事．对于振动光谱并非过于复杂的空气/二甲亚砜界面,基于亚波数高分辨宽带和频振动光谱的频域测量较超快时域测量更有益于获取界面结构和相干动力学定量信     

基于键极化加和模型及其实验修正方法的超拉曼微观极化率张量元微分的简化方案-C2v对称性

相干反斯托克斯拉曼光谱(CARS) 和相干反斯托克斯超拉曼光谱(CAHRS)等高阶非线性光谱技术已经应用在动力学过程、基因表达谱筛选、高分辨率光谱分析等诸多领域。但因其涉及到的高阶微观极化率张量元数量众多,对其光谱信号进行定量分析非常困难。文献通过理论分析将CARS和CAHRS的微观极化率张量元分解为拉曼微观极化率张量元微分α′_i′j′和超拉曼微观极化率张量元微分β′_i′j′k′的乘积,将高阶光谱定量分析的困难简化为对低阶光谱的分析。该研究处理了具有C_2v对称性分子基团,提出一种利用键极化加和模型及其实验修正的方法简化超拉曼微观极化率张量元微分β′_i′j′k′比值的方案。首先利用键极化加和模型方法,在对C_2v分子基团局域模式假设的基础上,进行单键的局域模式假设,通过对单键伸缩振动进行简正振动模式的分析,并与单键的偶极矩表达式进行比较,得到单键的超拉曼微观极化率张量元微分β′_i′j′k′。在单键β′_i′j′k′结果的基础上利用键极化加和模型,对C_2v分子基团进行对称性分析,将基团中两个单键伸缩振动的β′_i′j′k′耦合,得到C_2v分子基团对称振动和反对称振动两种简正振动模式的超拉曼微观极化率张量元微分β′_i′j′k′的表达式。在此基础上对C_2v分子基团对称振动和反对称振动的β′_i′j′k′表达式进行理论推导,结合对应振动模式下不同偏振组合的超拉曼退偏率ρ_HR-SS和ρ_HR-AS及HV偏振组合时实验测量的超拉曼光谱强度比,得到超拉曼实验修正的C_2v分子基团β′_i′j′k′之间的比值。再结合文献中拉曼实验修正的拉曼微观极化率张量元微分α′_i′j′之间的比值,即可得到C_2v分子基团CARS和CAHRS的微观极化率张量元之间的比例关系,为定量分析高阶非线性光谱信息提供理论基础。     

Fiber optic probes for linear and nonlinear Raman applications – Current trends and future development

This review focuses on fiber optic probes for linear and nonlinear Raman spectroscopy, especially for medical applications. It aims at providing an overview over contemporary technology, recent first clinical trials, and helps identifying future developments necessary to bring the emerging technology to clinical end users. After a short introduction to linear and nonlinear Raman spectroscopic modalities, general design considerations will be discussed and compared to common fiber probe setups. Subsequently, examples for medical applications of fiber optic Raman probes will be given concentrating on probes for linear Raman spectroscopy as these devices are technologically more mature compared to their counterparts based on nonlinear Raman spectroscopy. The review also includes a brief summary of first multimodal fiber optic probes and highlights their benefits for clinical applications. Finally, probes are introduced which employ either nonlinear Raman spectroscopy or surface enhanced spectroscopy.     

Implementing the Theory of Sum Frequency Generation Vibrational Spectroscopy: A Tutorial Review

Abstract

The interfacial regions between bulk media, although often comprising only a fraction of the material present, are frequently the site of reactions and phenomena that dominate the macroscopic properties of the entire system. Spectroscopic investigations of such interfaces are often hampered by the lack of surface specificity of most available techniques. Sum frequency generation vibrational spectroscopy (SFS) is a non‐linear optical technique which provides vibrational spectra of molecules solely at interfaces. The spectra may be analysed to provide the polar orientation, molecular conformation, and average tilt angle of the adsorbate to the surface normal. This article is aimed at newcomers to the field of SFS, and via a tutorial approach will present and develop the general sum frequency equations and then demonstrate how the fundamental theory elucidates the important experimental properties of SFS.     

The identification of nonlinear molecular systems by spectroscopic methods

The Wiener functional expansion method for the analysis of nonlinear systems is applied to identify and analyze both nonlinear and linear molecular systems by spectroscopic methods. As the sampling filter (monochromator) of any spectroscopic apparatus may be defined by a Weber-Hermite polynomial, an analysis of the refracted or scattered light by orthogonal polynomials is easily achieved. Time averaging obtains the Weber-Hermite coefficients which permit the characterization of the molecular system with respect to the polarization of the incident and scattered light. In the case of two series of measurements made with incident and emerging light polarized in different directions: the identification of the JonesM matrices for the molecular system irradiated is possible. In the case of three series of measurements made, for example, with incident and emerging light (a) circularly polarized corotating, (b) circularly polarized contrarotating, and (c) plane polarized perpendicular: the identification of the molecular system's McClain invariants related to the vibrational symmetry group for Raman inelastic light scattering is possible. The analysis presents a unified picture of elastic and inelastic light scattering and one-photon and two-photon processes. The apparatus described would detect those instances in molecular systems for which Beer's law does not apply.     

Determination of Total Petroleum Hydrocarbon (TPH) and Polycyclic Aromatic Hydrocarbon (PAH) in Soils: A Review of Spectroscopic and Nonspectroscopic Techniques

Abstract: In the analysis of petroleum hydrocarbon–contaminated soils for total petroleum hydrocarbons (TPHs) and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), the roles of spectroscopic and nonspectroscopic techniques are inseparable. Therefore, spectroscopic techniques cannot be discussed in isolation. In this report, spectroscopic techniques including Raman, fluorescence, infrared, and visible and near-infrared (Vis-NIR) spectroscopies, as well as mass spectroscopy (coupled to a gas chromatograph) and nonspectroscopic techniques such as gravimetry, immunoassay, and gas chromatography with flame ionization detection are reviewed. To bridge the perceived gap in coverage of the quantitative applications of Vis-NIR spectroscopy in the rapid determination of TPHs and PAHs in soils, a detailed review of studies from the period 1999–2012 are presented. This report also highlights the strengths and limitations of these techniques and evaluates their performance from the perspective of their attributes of general applicability, namely economic portability, operational time, accuracy, and occupational health and safety considerations. Overall, the fluorescence spectroscopic technique had the best performance (85% total score) in comparison to the others, and the gravimetric technique performed the least (60% total score). Method-specific solutions geared toward performance improvement are also suggested.     

任意椭圆偏振激光场非线性汤姆逊散射的一般表述与X射线产生的优化条件

基于相对论条件的电动力学,解析求解了任意椭圆偏振条件下激光场的非线性汤姆逊散射的一般表示.利用解析结果得到了背向非线性汤姆逊散射高次谐波的极值条件.结果表明对于基频背向汤姆逊散射,在相同条件下,圆偏振激光具有最大值而线偏振是最小值,如果激光偏振态从圆偏振连续的过渡到线偏振,背向汤姆逊散射的角功率随之单调递减.这一效应对高强度入射激光尤为重要,当 a² >5时,圆偏振情形的贡献几乎是线偏振的2倍.这对基于汤姆逊散射机制的X射线源实验研究具有重要参考意义. 关键词： 非线性汤姆逊散射 偏振度 极值     

Effects of molecular orientation of fluorescently-labeled duplex DNA on emission anisotropy

The molecular orientation of Cy5-labeled target DNA hybridized on a probe DNA layer was studied on a planar waveguide in the Kretchmann configuration at various target DNA bulk concentration. Optical waveguide fluorescence spectroscopy (OWFS) was employed to evaluate the fluorescence emission anisotropy by analyzing two polarized modes, i.e., TM and TE modes propagating in a waveguide. In this way, the orientational order parameter S could be determined. It was found that the orientation of DNA duplex molecules is disordered at lower concentrations, while relatively ordered at higher concentrations.