时间分辨飞秒激光诱导击穿光谱的设计与研究

激光诱导击穿光谱(LIBS)具有样品无需预处理,操作简单,分析快速等优点,已在多个领域获得应用。实验搭建了飞秒激光诱导击穿光谱(Fs-LIBS)装置,使用波长800 nm,脉宽100 fs的飞秒激光器作为激发光源,门控ICCD作为检测器。LIBS用于检测静态液体时会发生液体波动飞溅等问题,信号较差,该实验以液体射流的方式进样,以NaCl标准溶液为模型体相,Na(Ⅰ)589.0 nm为分析线进行测试。该实验采用时间分辨LIBS的方法,考察了飞秒激光作用于样品后的LIBS发射光谱随时间的演化,发现在激光脉冲作用于样品表面40 ns后Na原子发射谱线达到最强,信背比也同时达到最大值。表明飞秒脉冲激发的LIBS可以通过时间分辨,有效消除宽带背景发射的影响,更高效地对样品中的待测目标进行检测。研究了激光激发功率、ICCD门宽、激光焦点到样品表面距离等实验条件对LIBS信号强度和信噪比的影响,并优化了实验参数。在延迟时间40 ns、激发功率100 mW、门宽5μs、焦点位于样品前表面的最佳实验条件下,测试了海水样品的LIBS光谱和Na含量,检测了不同浓度NaCl标准溶液,并绘制了Na(Ⅰ)589.0 nm的定标曲线,得到NaCl标准溶液中Na元素的检测限为0.98 mg·L^(-1)。实验结果表明,LIBS技术满足快速、实时检测元素的要求,可以用于研究等离子体动力学演化过程,实现元素的定性和定量分析。

PSⅡ核心复合物能量传递的飞秒时间分辨荧光光谱学研究

运用稳态、瞬态荧光光谱技术对光系统Ⅱ核心复合物的能量传递动力学进行研究。分别用436 nm光脉冲激发叶绿素a分子、451 nm光激发叶绿素a和β-胡萝卜素分子、473和481 nm光激发β-胡萝卜素分子,得到5组反应能量传递、电荷重组等过程的寿命组分:8～40 ps为核心天线中β-胡萝卜素分子通过相邻β-胡萝卜素分子或中间叶绿素a向叶绿素a分子传递能量的时间;85～152 ps为核心天线色素分子激发能传递时间;201～925 ps反映部分电荷重组过程;1.031～1.21 ns为参与能量传递的色素分子从激发态衰退回到基态的时间;6.17～18.13 ns的长寿命时间组分归因于P680+Pheo-的重组过程。将荧光发射谱进行高斯解析,发现在核心复合物中还至少存在Chla683685、Chla680682、Chla673,677679三种特征叶绿素a分子。

光系统Ⅱ捕光复合体飞秒时间分辨荧光特性的研究

采用时间分辨荧光光谱技术研究了菠菜 (SpinaciaoleraceaL .)叶绿体中捕光色素复合体 (LHCⅡ )荧光的时间特性和光谱特性。用脉宽为 12 0fs、波长为 40 0nm的倍频钛宝石激光激发LHCⅡ样品 ;原始荧光信号由Boxcar采集 ,通过建立多指数模型 ,用非线性最小二乘法拟合 ,得到了激发能在LHCⅡ中传递的时间常数分别为 :32 0fs、4.0ps和 2 0 .0ps。相对应的各组分荧光占总荧光的百分比分别为 :3.4%、5 0 .0 %和 46 .6 %。经全局分析 ,解得荧光强度随波长变化曲线 ;用高斯 3峰解叠得到荧光光谱的峰值波长分别为 :6 5 2nm、6 72nm和 6 91nm。通过分析得出了时间常数与LHCⅡ中各色素成分之间的对应关系 。

飞秒荧光亏蚀光谱技术研究液相体系取向弛豫

Femtosecond time-resolved fluorescence depletion spectroscopy was used in the study of the orientation relaxation of Rhodamine 700(LD700) and Oxazine 750(OX750) in DMSO. The anisotropy functions of the dye molecules were obtained from the fluorescence depletion spectra, as the polarization of probe pulse is parallel and perpendicular respectively. The results show that the transition dipole moment of the pump and the probe of LD700 and OX750 are parallel. The time constants of the orientation relaxation of these dye molecules in DMSO are 1.8 and 1.9 ps for LD700 and OX750, respectively.

飞秒激光引导高压放电下的SF6等离子体时间分辨光谱特性

SF6作为气体绝缘介质广泛应用于气体绝缘设备中,其电弧等离子体得到广泛研究,但对SF6电弧等离子体时间分辨光谱特性的研究还未见报道.本文在SF6环境中利用飞秒激光自聚焦产生的光丝引导高压放电,诱导产生SF6等离子体;利用光谱系统采集300—820 nm波长范围内的SF6等离子体光谱,对光谱谱线开展了识别和归属研究,S和F谱线主要分布在300—550 nm和600—800 nm波段,分析认为S和F原子主要由SF6被高能电子碰撞直接或间接产生,S离子由S原子被高能电子撞击产生.给出了SF6等离子体的时间分辨光谱,等离子体光谱强度先增大后减弱,均由带状光谱和分立光谱叠加而成,带状光谱主要是由轫致辐射和复合辐射共同作用导致,基于时间分辨光谱得到了部分S和F的荧光寿命.给出了电子温度和电子密度随时间的演化规律,二者演化规律基本相同,且都随延迟时间呈指数衰减.最后,利用Mc Whirter准则得到SF6等离子体处于局部热平衡.研究结果对于开展SF6分解机理和高压设备运行状态在线监测技术研究具有重要意义.

飞秒时间分辨取样光谱仪的研制

研制的飞秒(10^(-15)s)时间分辨取样光谱仅由三部分组成:①飞秒激光探针弥散补偿光学系统,②氩激光泵浦掺钛兰宝石飞秒激光系统,③信号探测、数据采集分析处理系统。掺钛兰宝石飞秒激光器在7W氩激光全线泵浦下,能输出平均功率400mW、持续期50fs到300fs的光脉冲。其光谱可在750nm到920nm范围内调谐,经LBO晶体倍频,能得到375nm到460nm的二次谐波。整体取样光谱仪的时间分辨为90fs到320fs,光谱分辨率好于0.1nm,泵浦一探测差异吸收灵敏度达到10^(-6)～10^(-7)量级。该光谱仪已用于"八五"国家攀登计划"飞秒激光技术与超快过程研究"项目中的光合作用PSⅡ反应中心原初电荷分离等超快过程研究。

PSⅡ颗粒复合物飞秒分辨低温荧光动力学研究

采用飞秒时间分辨荧光光谱学对PSⅡ颗粒复合物在 83K ,16 0K ,2 73K下进行研究 ,实验表明随温度升高 ,光谱加宽 并且发现在PSⅡ颗粒复合物中至少存在以下几种特征Chl分子 :Chlb6 406 39,Chlb6 456 40 ,Chla6 6 36 6 0 ,Chla6 6 86 6 7,Chla6 76 6 73,Chla6 816 80 ,Chla6 826 80 /6 81,Chla6 88/6 896 84 ,6 85,Chla6 986 88 在不同的温度下 ,参与能量传递的色素分子传能途径各不相同 ,但都有一个共同点 :在到达反应中心之前能量传递高效进行 ,绝大多数能量传递到了反应中心 ,而在 6 80nm之后的波段 ,能量损耗明显增大 ,这是由于电子传能受阻 ,能量绝大多数以荧光形式耗散 对荧光衰减曲线进行时间拟合 ,得到四组时间常数 :30～ 4 0ps ,2 6 0ps ,5 5 0～ 6 70ps ,1～ 8ns 几个ns的长寿命组分 ,反映了两个能量传递过程 ,即与基对态P6 80 + pheo- ,以及能量传递过程中Chla分子由激发态辐射荧光衰退到基态以辐射荧光形式丢失能量的过程有关 5 5 0～ 6 70ps的时间组分 ,反映的是部分电荷重组的过程 2 6 0ps的组分只在 83K出现 ,应归于LHCⅡ中的Car分子经中间传递体传能到Chlb 6 39分子后继续将能量传递到反应中心P6 80的时间 30～ 4

LDS751染料分子的时间分辨荧光谱

本文介绍用飞秒时间分辨荧光凹陷探测技术，获得激发态分子时间分辨荧光光谱的方法。文中描述了实验方法及其特点，给出了ＬＤＳ７５１染料分子的飞秒时间分辨荧光光谱。

时空高分辨飞秒近场光谱学

飞秒激光和近场光学(SNOM)是近年来光科学的两大重要进展．它们分别产生了超快光谱和纳米小尺度光测量两个崭新研究领域．结合飞秒激光脉冲高时间分辨和SNOM小尺度空间光学探测的优势，实现时间和空间小尺度同时测量是进一步发展的趋势．本报告将综述国际在这一方面研究的进展并结合北大的研究工作，讨论这一系统组合存在的小信号探测、脉冲啁啾补偿等困难和问题以及应用和发展前景．

飞秒荧光光谱技术及其在生命科学中的应用

频率上转换荧光光谱技术在生物大分子的结构、功能以及动力学研究方面具有广泛的应用。近年来,随着超快激光技术的发展以及相关光电子设备的升级和更新,尤其是飞秒激光的出现,频率上转换技术的时间分辨率达到了飞秒量级,为生物、化学和医学等领域的研究带来了新的发展契机。本文介绍和回顾了频率上转换荧光光谱技术的基本原理,在自行组建的一套频率上转换飞秒荧光光谱实验系统基础上,重点分析了整体系统的关键设计因素。介绍了频率上转换飞秒荧光光谱技术在生命科学领域,尤其是蛋白质、DNA动力学研究中的一些应用。

我国首例飞秒时间分辨近场光学系统成功实现

北京大学物理学院张家森教授等人在今年6月出版的《物理学报》上，发表了题为“飞秒时间分辨近场光学系统实现及其应用”的论文。这是国内首例实现飞秒光脉冲和近场光学显微镜相结合，成功实现了三维空间加一维时间的四维高分辨光谱，从而为研究介观尺度下的超快物理过程提供了有力的工具。在国际上，

爆炸性物质太赫兹时间分辨光谱测量

利用自由空间电光取样方法,研究了四种炸药在太赫兹（THz）频段的光学特性。通过太赫兹时间分辨光谱测量,作者得到了四种炸药DNT（2,4-二硝基甲苯）、钝化的RDX（黑索今）、HMX（奥克托金）和TNT（2,4,6-三硝基甲苯）的透射光谱,进而计算得出它们在0.2-2.5 THz频段的吸收系数和折射率。作者发现,2,4-DNT在1.08 THz,HMX在1.82 THz存在显著的吸收尖峰,RDX在此频段存在多个吸收峰,TNT的吸收谱线相对其他三种样品比较平缓,这种共振吸收一般认为是由分子间相互作用或声子共振模式引起的。四种炸药对太赫兹波独特的吸收性质说明,太赫兹时间分辨光谱测量技术在炸药特征识别及安全检测领域具有潜在应用价值。作者对致癌物质偶氮苯进行了太赫兹光谱研究,发现了国产偶氮苯和进口偶氮苯在太赫兹波段均存在特征吸收峰,可用于物质鉴别。

我国首例飞秒时间分辨近场光学系统

近年来，随着飞秒脉冲激光技术的发展．飞秒时间分辨光谱技术在纳米材料的载流子弛豫动力学、化学反应动力学、光合作用超快过程等研究领域得到了广泛应用。其中很多研究对象的超快动力学性质具有高度空间依赖性，如纳米材料、量子线、量子点以及光合系统捕光色素复合物等。由于普通的远场飞秒光谱技术受到衍射极限的限制．无法对纳米结构的非均一性所造成的精细结构加以分析．

利用飞秒光谱研究CdTe纳米晶的超快动力学

利用飞秒时间分辨瞬时吸收光谱技术,研究了甲苯溶液中CdTe纳米晶的超快动力学过程.结果表明,CdTe的最大吸收强度随泵浦光强线性变化,这说明在所用泵浦光强下,样品没有发生光退化.当固定泵浦光强时,测量得到的不同光学密度时的瞬时吸收光谱可以用双指数函数很好地拟合,这意味着CdTe中的载流子弛豫过程主要包含两个过程,分别为较快的表面态电子俘获过程和较慢的表面态电子与价带底空穴的复合过程.实验结果表明,当光学密度增加时较快过程的弛豫时间随光学密度的增加而增加,这是由于CdTe纳米晶间的相互作用增强,阻碍了能量向周围溶剂的扩散;而较慢过程的弛豫时间却是减小的,这是由光学密度对CdTe纳米晶表面态的影响导致的.

飞秒瞬态吸收光谱技术及应用

超快激光技术的出现极大地促进了人们对众多研究领域中超短时间尺度(例如飞秒)的微观过程的深入理解。详细介绍了基于飞秒时间分辨的瞬态吸收光谱技术与原理,并结合本课题组的工作,展示了该方法在凝聚相分子体系中量子态演化过程及其相互作用研究中的应用,特别是对激发态电子能量弛豫、波包演化过程、能量转移过程、质子/电荷转移以及分子激发态结构动力学等微观机制的研究,表明该方法可以广泛应用到物理、化学、材料、生物、环境等交叉研究领域。最后,对该技术的发展前景以及未来研究方向进行了展望。

飞秒时间分辨拉曼光谱用于研究β-胡萝卜素单重激发态内转换和振动弛豫过程

搭建了飞秒时间分辨受激拉曼光谱(FSRS)装置,并用于研究全反式β-胡萝卜素单重电子激发态超快内转换和振动弛豫过程.基于三脉冲"抽运-探测"方案搭建的时间分辨受激拉曼光谱装置同时实现了150fs的时间分辨率和23.7cm-1的光谱分辨率,光谱检测范围为300—4000cm-1.对全反式β-胡萝卜素电子激发态的飞秒时间分辨拉曼光谱研究表明,β-胡萝卜素被激发到S2态后,经由寿命约为0.3ps的中间态SX态实现向S1态的内转换(S2→SX→S1),S1态继而发生分子内和环境冷却引起的振动弛豫过程,时间尺度分别为0.3—0.6ps和～11ps,其中"热"S1态的寿命和S1→S0内转换的时间尺度相当(～11ps);S0态的分子内振动弛豫和"热"S0态振动弛豫过程的时间尺度分别为～0.3ps和～15ps.上述β-胡萝卜素的电子激发态内转换和振动弛豫特性有助于理解它在光合作用体系中的辅助捕光功能.

时间分辨飞秒相干光谱技术的发展与展望

本文概述超短脉冲激光相干光谱技术的基本原理及发展分析了与这些技术相关的理论 ,同时指出了以往相干光谱技术中存在的问题。针对本课题组 fs或亚氏 fs相干光谱实验技术中存在的主要问题提出了具体的改进思路 :减少延时线的误差 ,提高泵浦和探测光斑在样品上的重合度 ;对探测光进行调制 ;获取 fs脉冲激光与物质相互作用的振幅、相位和波矢的信息 ;

全反式类胡萝卜醛(all-trans-β-Apo-8’-carotenal)的飞秒时间分辨瞬态吸收光谱

用奇异值分解和全局非线性拟合的方法处理全反式胡萝卜醛(all-trans-β-Apo-8’?carotenal)的飞秒时间分辨瞬态吸收光谱.以串行激发态弛豫动力学反应为模型,分别得到其在非极性溶剂正己烷和极性溶剂甲醇中的各个高激发态组分的吸收光谱和其各自的时间动力学特性,在正己烷中主要得到3个电子态能级,它们分别是S3(170fs),S2(2.32ps)和S1(26ps),而在甲醇中只得到两个能级,分别为S2(190fs)和S1(9.4ps).比较发现胡萝卜醛在甲醇中的瞬态吸收光谱红移,且S1态寿命变短,经分析认为是C==O基团的作用.同时表明SVD方法是处理飞秒时间分辨瞬态吸收光谱有效的工具.

几种化学纤维的太赫兹时域光谱研究

为了解化学纤维在太赫兹波段的光学特性,尝试通过太赫兹时域光谱测试技术和自由空间电光采样方法获得几种化学纤维（涤纶、芳纶、维纶）的透射光谱,进而计算他们在0.2~1.0 THz频段的吸收系数和折射率。实验结果表明：纤维在太赫兹频段存在特征频谱响应,可以用来探测分子的结构信息和振动情况。所得结果表明,不同化学纤维在远红外区域的光谱存在差异,太赫兹光谱可以作为红外光谱的互补技术鉴别不同的化学纤维。

激光光谱学

O433.54 2001020826超快荧光光谱的光谱特性和时间特性的研究=Studyof the characteristics of spectra and time ultrafastfluorescence[刊,中]/王建岗,杨莉松,王桂英,徐至展(中科院上海光机所强光光学实验室.上海(201800)),王光斌,干福熹(中科院上海光机所光盘实验室.上海(201800))//中国激光.—2000,27(7).-597--600飞秒脉冲激光器和时间分辨率优于2 ps的条纹相机相结合测量超快荧光光谱的光谱特性和时间特性。