量子相干态的二维电子光谱测量的原理、应用和发展

二维电子光谱是一种同时具有高的时间分辨率和光谱分辨率的非线性光谱学方法.它不仅可以对凝聚相分子复杂动力学过程进行直接测量,还可以测量不同电子态、电子态-振动态之间的量子相干过程.2007年,Flemming课题组利用二维电子光谱于低温77 K的条件下在捕光天线蛋白Fenna-Matthews-Olson中发现了能量传递过程存在量子相干现象.尽管后续的实验研究表明,该体系中实验观测到的量子相干现象不可能是由单纯的电子态相干引起的,然而这一实验现象的报道极大地激发了人们对天然或人工模拟光合系统中存在量子相干传能途径的探索,目前还是一个相当活跃的研究领域.本文旨在通过介绍二维电子光谱学原理、装置及其在光合作用体系能量传递中量子相干现象的应用,使二维电子光谱这种实验方法能够在更多的研究领域得以普及与推广.     

有序分子系统的线性与非线性光谱学的简化描述

通过对有序分子系统的线性与非线性光谱学的简化描述 ,帮助对有序分子体系光谱学进行研究的实验学家建立明确的物理图像和定量的研究工具 .这一描述是从最近对二阶非线性光学界面研究技术 ,即光学二次谐波 (SHG)和和频偏振振动光谱 (SFG VPS)的定量取向和偏振处理中推广出来的 .这一处理的方法关键在于简化线性和非线性光学中的有效极化率 ,构造出一个通用的取向泛函 ,并能通过实验参数清晰地计算出取向泛函的取向和强度因子 .同时还讨论了相干光谱技术在准确测量有序分子体系的取向和序的相比于非相干光谱方法的优点 .     

二维材料平带的实现及其新奇量子物态

在二维材料平带中电子的有效质量急剧增大,电子的库仑排斥能将远远大于电子的动能,电子-电子相互作用效应显著,对应地将会产生一系列新奇的强关联量子物态,如量子霍尔铁磁态、分数量子霍尔效应、量子反常霍尔效应、超导态、Wigner晶体等.因此人们对于二维材料中的平带产生了极大的兴趣.近几年,与平带相关的强关联物性研究成为了凝聚态物理领域的前沿课题.实验上发展了多种方法,例如通过外加强磁场、构筑应变结构、引入转角等方式在二维材料中引入平带.本文通过对二维体系中平带的实现方法及其带来的新奇物理现象进行回顾,希望为相关领域的研究人员提供参考和借鉴.     

线性与非线性波的Chebyshev广义有限谱模拟

给出求解二维线性与非线性波的Chebyshev广义有限谱模拟方法.结合时间层次的高精度预报-校正方法，模拟了二维线性浅水驻波和波在浅滩的非线性变形.方法能够准确模拟水波的物理特征. 关键词： Chebyshev广义有限谱 线性波 非线性波     

部分相干平顶光束在线性增益(损耗)介质中的光谱特性

根据Li提出的平顶光束模型和部分相干光理论，推导出部分相干平顶光束在线性增益(损耗)介质中传输的光谱分布解析表达式，定量研究了部分相干平顶光束在线性增益(损耗)介质中传输的光谱特性，分析了近场和远场轴上光谱的变化特点，以及介质的增益(损耗)特性、光源的中心频率、空间相干参数以及谱宽等因素对光谱变化的影响. 研究结果表明，部分相干平顶光束在线性增益(损耗)介质中传输时，光源的中心频率、光谱宽度、空间相干参数对相对谱移量影响较大，但对光谱分布随传输距离的总体变化趋势影响较小，而光谱分布随传输距离的总体变化趋势则主要由平顶光束的阶数所决定. 关键词： 部分相干平顶光束 光谱特性 谱移 线性增益(损耗)介质     

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.     

双色散二维阿达玛变换光谱仪

设计了一种双色散二维调制的阿达玛变换光谱仪,利用光栅在水平方向的谱级色散和棱镜在垂直方向的谱线色散进行二维分光。与传统的二维光谱CCD探测方法不同,该设计独辟蹊径,采用面阵数字微镜对二维光谱进行阿达玛调制,并利用单点式检测器进行光信号的检测。理论计算及光学仿真表明,与传统的二维光谱探测仪器相比,该光谱仪不仅具有高的分辨率,同时还具有很高的信噪比。     

约束冷原子气体的高增益Raman散射光谱

本文研究了不同外部环境中原子气体在强激光抽运下的相干Raman散射光谱, 通过对固定无反弹原子气体(不考虑外部自由度)和自由原子气体增益光谱的理论计算, 得到了和Mollow实验结果基本一致的光谱曲线.通过与Mollow谱线结构的比较, 揭示了在微阱约束情况下原子气体存在不同于以上两种环境的高增益光谱, 该谱线直接反应了约束阱的性质, 谱线呈等间距梳状结构, 谱线尖锐分辨率高, 和传统的冷原子气体散射增益光谱的实验结果相比较有更大量级的光增益现象. 论文还分析了散射谱线增益的物理机理, 清晰地给出了约束情况下原子增益谱线的非线性Raman共振条件.     

中药冬虫夏草二维红外光谱理论研究

冬虫夏草是一种名贵的中药材,有非常广泛的用途.为了探索这种中药整体的药理特征,本文将这种中药作为一个整体,将其一维线性谱的吸收峰视为简正模.在假定各模式之间的相互作用与偶极矩的大小后,建立了激光与冬虫夏草相互作用微观模型.在此基础上,理论计算了冬虫夏草的二维非线性激光谱,并将所得光谱图与实验结果比较,从而确定冬虫夏草的能级结构与各简正模式间的耦合强度以及其偶极矩的大小等,为深入研究这种名贵中药提供了一个全新的思路与方法.     

非对称耦合量子阱的吸收非线性增强

基于V 形三能级模型运用密度矩阵方程推导了非对称耦合量子阱三阶光学非线性极化率. 具体分析了三阶吸收非线性效率（三阶光学非线性极化率与线性吸收系数之比）随阱间电子相干振荡频率的变化规律. 理论结果表明：三阶吸收非线性效率对阱间电子相干振荡频率相当敏感，当阱间电子相干振荡频率增大时三阶吸收非线性效率显著增强，而当阱间电子相干振荡频率为零时，这种非线性效率类似于单量子阱情况. 与单量子阱相比，对于已设计好的非对称耦合量子阱结构其突出特征表现在，其非线性吸收与色散特性可经由沿材料生长方向偏压进行控制. 据此，我们预期利用这种非对称耦合量子阱结构能设计成光通信中的光限幅器和可控克尔光开关.     

矩形弹子球中的量子谱和经典周期轨道

利用SU(2)相干态的表示,我们构造了二维矩形弹子球中与经典周期轨道对应的波函数.经典周期轨道和量子波函数之间的关系可以通过物理图像清晰的表示出来.另外,利用周期轨道理论,我们计算了二维矩形弹子球体系的量子谱的傅立叶变换ρ(L).变换谱|ρN(L)|2对L图像中的峰可以和粒子在二维矩形腔中运动的经典轨迹的长度相比较.量子谱中的每一条峰正好对应一条经典周期轨道的长度,表明量子力学和经典力学的对应关系.     

基于矩阵R理论的光谱降维方法研究

针对传统光谱降维方法的缺点,提出一种基于矩阵珟R理论的线性光谱降维方法。该方法在Cohen定义的矩阵R理论基础上提出修正矩阵珟R,可将物体光谱反射率分解为基本光谱和同色异谱黑光谱,再分别对两者进行线性降维。基本光谱的三个基向量由颜色匹配函数与光源的乘积再进行正交化得到,其三个基向量的累积贡献率可达100%。同色异谱黑光谱的基向量由主成分分析推导,取前三个特征向量作为同色异谱黑光谱的基向量。实验结果表明,使用该方法构建的六维线性模型能在光谱和色度两个方面较好地表征原始高维光谱反射率,满足光谱颜色复制的要求。     

基于最优化线性波数光谱仪的谱域光学相干层析成像系统

相比传统光谱仪,基于线性波数光谱仪的谱域光学相干层析(OCT)无需对非线性波数干涉光谱数据进行重采样和插值,可大大减少数据计算量并提高成像灵敏度.通过模拟计算干涉光谱信号和点扩散函数,以点扩散函数半峰全宽值的倒数作为评价准则,可以优化包括色散棱镜材料的折射率、顶角角度以及衍射光栅和色散棱镜之间旋转角角度的线性波数光谱仪的结构参数.根据优化结果,实验中选用F2玻璃等边色散棱镜,以光栅-棱镜间旋转角角度为21.8°搭建了最优化线性波数光谱仪,并引入谱域OCT成像系统.实验测得成像系统的轴向分辨率达到8.52μm,灵敏度达到91 dB,6 dB成像深度达到1.2 mm.结合具有通用并行计算能力的图形处理卡,在无需重采样和插值的情况下可实时处理和显示人手指指甲皮肤接缝处的横断面OCT图像,验证了基于最优化线性波数光谱仪的谱域OCT系统的成像性能.     

非线性有机材料DAST的研究及应用

随着光通信、光信息处理技术等的快速发展,非线性光学材料越来越受到学术界与工业的关注。与无机非线性光学材料相比,有机非线性光学材料具有响应时间短、易于加工和高非线性系数等优点。其中,4-(4-二甲氨基苯乙烯基)甲基吡啶对甲苯磺酸盐(DAST)是人工设计的一种具有非中心对称性和较强极化率的有机非线性材料。大量理论和实验结果表明,DAST具有高二阶光学非线性系数、高电光系数、大双折射率差和低介电常数等特性,能够产生更快、更强的光学非线性响应,还具有优异的太赫兹波发射及吸收性能,是目前综合性能最优、应用最广、最具研究价值的非线性有机材料。近年光谱研究显示,DAST还表现出各向异性的太赫兹光谱特性。文章系统地总结了DAST晶体在太赫兹波发射、二次谐波产生、电光探测和电光调制等众多领域的国内外研究成果,还概括了我们团队近期在DAST基薄膜、太赫兹光谱、光电特性、超材料等新领域的研究进展。此外,还提出将准相位匹配法用于DAST晶体研究、利用电场或自组装膜诱导生长DAST晶体等新思路。对DAST成果的总结和梳理,将促进非线性DAST有机材料在电光调制器、频率转换器、THz探测器等重要领域的应用与理论研究,使其能够更加广泛地应用在光通信、光信息处理、军事技术等重要领域。     

二维材料异质结高灵敏度红外探测器

要想实现弱光探测,需要探测器具有高灵敏度.石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等二维材料因具有宽光谱吸收、带隙可调、高载流子迁移率等良好的光学与电学性能,广泛应用于红外探测器的制作,然而这些材料存在弱光吸收、载流子迁移率低、空气稳定性差等问题,制约了其在高灵敏度红外探测领域的应用.同单一的二维材料相比,二维材料异质结不仅具有各...     

耦合双原子与非线性相干态相互作用模型的腔场谱

研究了两个偶极 偶极相互作用的全同二能级原子与高Q腔内非线性相干态光场相互作用过程的腔场谱 .讨论了原子间耦合强度、初始场光子数分布和初始场强度的改变对光谱结构的影响.     

二维相关光谱法及其在蛋白类物质分析中的研究进展

二维相关光谱法是将特定形式的微扰作用于样品,通过测定一系列扰动作用下的动态光谱,结合数学相关分析,获取与样品中分子结构及作用力相关的二维相关谱特征。该方法主要基于分子振动光谱,将一维光谱扩展到二维空间,能有效提高光谱分辨率,从而识别原始光谱中重叠的分子振动变化特征,为研究分子内及分子间的化学键变化提供依据,在生物医学、药学、食品科学、环境科学以及高分子材料等领域应用广泛。自1986年Noda提出广义二维相关算法以来,二维相关光谱衍生出了投影二维相关、串联二维相关、基于模型的二维相关、异质谱二维相关、移动窗口二维相关等算法。随着近年来生物技术的迅速发展,多肽、蛋白质、酶等蛋白类物质由于参与人体重要生理化学反应过程,对其结构(尤其是高级构象)的分析是研究蛋白类物质质量及疗效的关键。二维相关光谱方法为生物医药中蛋白类物质结构研究提供了快速、无损的定性定量分析方法,可分析蛋白质类物质高级结构中的细微变化,为生物大分子药物机制机理研究提供有力的支撑。综述了二维相关光谱技术的基本原理、谱图解析方法和技术进展,以及其在蛋白类物质分析中的应用方向和前景,为相关领域研究人员应用二维相关光谱法开展蛋白类物...     

二维冰相I的电子和光学性质

二维冰是典型的原子制造技术获得的新型原子级材料,其结构和成核生长在材料科学、摩擦学、生物学、大气科学和行星科学等众多领域具有至关重要的作用.虽然二维冰的结构性质已被广泛研究,但对其电学和光学性质知之甚少.本文通过密度泛函理论和线性响应理论计算了二维冰相I在零温时的主要电学、光学、介电性质和红外光谱.其次,利用从头算分子动力学方法模拟得到了二维冰相I在有限温度下的声子振动态密度.本文的结果揭示了原子级二维冰相I的电子结构,同时展示了其独特的光吸收机理,有助于二维冰相I的进一步实验表征和原子级操控.由于表面上的二维冰可以促进或抑制三维冰的形成,这对于设计和研发防结冰材料具有潜在的应用价值.此外,二维冰本身也可以作为一种特殊的二维材料,为高温超导电性、深紫外探测、冷冻电镜成像等研究提供全新的标准材料.     

二模非线性增光子热态的非经典特性

本文从非线性囚禁离子Jaynes-Cummings模型出发,研究了非线性参数对囚禁离子沿两个正交方向的振动模式之间的互相关函数的影响.采用理论分析和数值计算相结合的方法,分析了二维非线性增光子热态的互相关函数.结果表明,在低温下,二维非线性增光子热态呈现关联效应.随着温度的增加和非线性参数的增大,两模式之间的关联效应减弱.当温度大于时,两模式之间呈现反关联效应.     

超快二维电子光谱与激发态动力学（特邀）

超快二维电子光谱是一种用于探测激发态动力学的重要手段,由于其具有时间分辨力高、可探测均匀展宽与非均匀展宽、可提供丰富的相干动力学信息等特点,近年来被广泛应用于光合作用、光伏电池材料、量子点与二维材料等的动力学研究中。本文从傅里叶变换光谱、瞬态光栅等与超快二维电子光谱紧密相关的基本概念出发,简要阐述超快二维电子光谱的基本原理。通过例举二维电子光谱在光合作用蛋白与光伏电池材料的应用研究,介绍二维光谱的特色以及应用范围。最后,对二维光谱研究存在的挑战以及未来研究方向进行探讨。