时间分辨光谱
时间分辨光谱学
多维度、多模态 测量技术的发展
未来时间分辨光谱学将更加 注重多维度、多模态测量技 术的发展，如结合空间分辨 、能量分辨等技术，实现更 全面、更深入的物质结构和 动力学信息获取。
研究现状
目前，时间分辨光谱学已经广泛应用于化学、物理、生 物等领域的研究。在化学领域，时间分辨光谱学被用于 研究化学反应动力学、分子结构和化学键等；在物理领 域，时间分辨光谱学被用于研究材料的光学性质、电子 结构和自旋动力学等；在生物领域，时间分辨光谱学被 用于研究生物大分子的结构和功能、细胞代谢和信号传 导等。同时，随着新技术的不断涌现，时间分辨光谱学 的研究方法和手段也在不断更新和完善。
超快过程概述及意义
超快过程定义
发生在极短时间尺度（如飞秒、 皮秒等）内的物理、化学或生物 过程。
研究意义
揭示微观粒子间的相互作用机制 ，理解物质的基本性质和能量转 换过程。
飞秒激光脉冲技术
飞秒激光产生原理
利用锁模技术或克尔透镜锁模技术，实现激光脉冲的极短脉宽输 出。
飞秒激光特点
脉宽极短、峰值功率极高、光谱范围宽。
时间尺度
从纳秒到毫秒，甚至更长 的时间范围。
光谱特性
包括吸收、发射、散射等 光谱现象。
研究目的和意义
揭示物质动态过程
通过研究物质在不同时间尺度上的光谱变化，可以揭示其内部结 构和动力学过程的详细信息。
拓展光谱学应用领域
时间分辨光谱学为化学、物理、生物等领域的研究提供了新的方法 和手段，推动了相关学科的发展。
生物成像
利用磷光材料的长余辉特性，可实现无背景干扰的生物成像，提 高成像对比度和分辨率。
时间分辨光谱
测量方法
• 相移法 • 时间相关单光子计数法
相移法
激发：Ｒ(ｔ)=Ｒ0[1+αcos(ωｔ)] 荧光： Ｆ(ｔ) =F0ｅｘｐ(-ｔ/τ)
t
Iexp(t) R(t) F(t)
t 0
F0e
[(t
t)
/
]
R0
[1
a
cos
wt
]dt
[1
a
cos
cos(wt
)]
{ tg w ｍ =cosθ=(1+ω2τ2)-1/2
=/0
发光衰减曲线
包含两种发光中心的时间分辨光谱
BaF2的Cross-Luminescence：价带电子与最高芯带空穴间的带间复合跃迁发光。BaF2的 220nm快发光带迅速衰减至消失，而300nm慢发光带（0.6s）在激发停止后3.4--7.4ns 内才出现，在10-110ns内先逐渐增强随后逐渐衰减。当Ba++5p芯电子被激发到导带后留 下的芯空穴立即与F-2p价电子复合而产生220nm快发光组分，随后价带空穴与导带电子 形成自由激子，进而形成自陷激子产生了300nm慢发光带。而导带电子与价带空穴的弛 豫时间都很短(一般为ps量级)，所以300nm带出现的延迟(3.4-7.4ns)主要是来源于激 子的自陷过程及自由激子穿越势垒形成自陷所需的时间，或者说形成自陷激子所需的 时间为ns量级。
SRS
ACO ADONE
Hamburg Stanfor Cornell Brookhaven Darebury Orsay Frascati
Germany d
USA USA
UK
France Italy
USA
实验技术 SPC SPC SPC方法的比较
时间分辩光谱
时间分辨光谱（Time-Resolved Spectroscopy）是一种研究物质光谱性质的技术，它通过测量物质在受到激发后随时间变化的光谱响应来获取有关物质的信息。
这种技术在许多领域都有广泛的应用，如物理、化学、生物学和材料科学等。
时间分辨光谱的主要原理是利用脉冲光源（如激光）对样品进行短时间的激发，然后通过高速探测器测量样品在激发后随时间变化的光谱响应。
这种方法可以提供关于物质内部过程的动力学信息，例如能量传递、电子转移、化学反应等。
时间分辨光谱技术有几种主要类型，包括：1. 时间相关单光子计数（Time-Correlated Single Photon Counting，TCSPC）：这种方法通过测量单个光子的到达时间来获取时间分辨光谱。
它具有非常高的时间分辨率，通常在皮秒 （10^-12秒）或飞秒（10^-15秒）量级。
2. 泵浦-探测 （Pump-Probe）技术：泵浦-探测技术通过两个或多个光源 （通常是激光器）对样品进行激发。
一个光源 （泵浦光源）用于激发样品，另一个或多个光源 （探测光源）用于测量样品在激发后随时间变化的光谱响应。
这种方法可以用于研究非线性光谱过程和超快动力学过程。
3. 飞秒光谱学（Femtosecond Spectroscopy）：飞秒光谱学是一种利用飞秒激光器进行时间分辨光谱测量的技术。
它可以用于研究超快的动力学过程，如光子学过程、电子转移和化学反应等。
时间分辨光谱在许多研究领域具有重要应用价值，例如：在生物学中，时间分辨光谱可以用于研究光合作用、光敏蛋白质和光敏信号传导等过程。
在材料科学中，时间分辨光谱可以用于研究光致发光、载流子动力学和光催化等过程。
在化学中，时间分辨光谱可以用于研究光化学反应、能量传递和电子转移等过程。
总之，时间分辨光谱是一种强大的实验技术，可以为我们提供关于物质内部过程的动力学信息，有助于深入理解各种物理、化学和生物过程。
时间分辨光谱学
白鹤梁的导游词3篇白鹤梁位于长江三峡库区上游涪陵城北的长江中，是一块长约1600米，宽15米的天然巨型石梁，是三峡文物景观中唯一的全国重点文物保护单位，下面是小雅为大家带来的白鹤梁的导游词，希望可以帮助大家。
白鹤梁的导游词精品范文1：白鹤梁梁体分上、中、下三段。
题刻区位于中段长约220米，宽约15米的梁体上，迄今发现有题刻约165段，文字内容约三万余字。
题刻始于唐广德元年，现存有明确纪年的最早年代为北宋开宝四年(公元971年)，其中宋代最多，元、明、清代次之。
汇集了唐宋以来千余年各派书家遗墨，隶、篆、楷、行、草皆备，还有巴思巴文，书体风格颜、柳、欧、苏俱全，题刻内容或诗或文、可记事或抒情，涉及到各个历史时期和各个层面，石鱼雕刻精巧流畅，颇具功力，因此白鹤梁又被誉为“水下碑林”。
白鹤梁题刻中有石鱼雕刻18尾，记载了1200多年来长江72个枯水年份的水文情况，系统地反映了长江上游枯水年代水位演化情况，为研究长江水文、区域及全球气候变化的历史规律提供了极好的实物佐证，具有极高的科学价值和应用价值。
白鹤梁最早的枯水题刻比1865年我国在长江上设立的第一根水尺--武汉江汉关水尺的水位观测记录，要早1100多年，因此有了“世界第一水文站”之称的美名。
白鹤梁题刻长年淹没在江下，只在每年冬春交替，长江处于最低水位时才偶露尊容。
因此每每在那几天，前往观看的人们络绎不绝。
白鹤梁题刻因它独特文物特性和以及在科学、历史、艺术具有极高价值，1988年被国务院公布为全国重点文物保护单位。
白鹤梁的导游词精品范文2：白鹤梁位于长江三峡库区上游涪陵城北的长江中，是一块长约1600米，宽15米的天然巨型石梁，是三峡文物景观中唯一的全国重点文物保护单位，每年12月到次年3月长江水枯的时候，才露出水面。
相传唐朝时朱真人在此修炼，后得道，乘鹤仙去，故名“白鹤梁”。
1988年8月，被国务院公布为全国重点文物保护单位。
联合国教科文组织将其誉为“保存完好的世界唯一古代水文站”。
时间分辨拉曼光谱
时间分辨拉曼光谱用于声子寿命的测量
K. T. Tsen et al. Applied Physics Letters, 89, 112111, 2006
展望
✓ 时间分辨拉曼光谱的时间分辨率和光谱分辨率进一步 提高: 海森堡不确定原理
✓ 时间分辨拉曼光谱的应用领域进一步扩大: 与其他技术相结合
Dmitry Pestov, et al. Science 316 (2007) 265 David W. McCamant, et al. J. Phys. Chem. A 2003, 107, 8208-8214
ws wp
Lens
相干反斯托克斯拉曼光谱的优点
✓ 信号强 ✓ 避免荧光干扰 ✓高度相干、高度准直的相干光，易与背景光分开。 ✓…
实验设备 实验设备 OPA wp
Iris
waS
DtSample源自OPA wsL1L2
Dt
E*
wp
E0
wSDDtwtp wpwCAwRSCwARpS wCARS
时间分辨拉曼光谱的应用
wR
能量守恒
was = wp – ws + wp
相位匹配
kas = kp – ks + kp
相干反斯托克斯拉曼光谱
能量守恒
was = wp – ws + wp
wp ws wp was
相位匹配
kas = kp – ks + kp kas
ks
kp
kp
相干反斯托克斯拉曼光谱
was
Iris
wp
Lens Sample
时间分辨拉曼光谱用于光电过程电子输运性质的表征
E. D. Grann et al. Phys. Rev. B, 1996, 53, 9838-9846
时间光谱
时间分辨光谱，是一种能观察物理和化学的瞬态过程并能分辨其时间的光谱。
编辑摘要目录[隐藏]1 时间分辨光谱2 正文3 配图4 相关连接时间分辨光谱 - 时间分辨光谱一种能观察物理和化学的瞬态过程并能分辨其时间的光谱。
在液相中，很多物理和化学过程，如分子的顺－反异构和定向弛豫、电荷和质子的转移、激发态分子碰撞预解离、能量传递和荧光寿命，以及电子在水中溶剂化等,仅需10-8秒就能完成。
只有在皮秒激光脉冲实现后才有可能及时地观察这些极快过程。
1966年第一次利用锁模 Nd3+:YAG激光器获得了皮秒的超短光脉冲。
近年来又利用声光调制锁模染料激光器获得10-11秒的光脉冲。
利用光学延迟（10-9秒/30厘米）或同时泵浦两台染料激光器，可准确地控制泵浦和探测激光脉冲的时间间隔。
利用脉宽为4皮秒的297纳米的线偏振激光，可将反式1,2-二苯乙烯泵浦到第一单重激发态的某一特定振转能级。
由于偏振光的作用，迫使激发的振转态分子按一定方向排列，因而它的发射和吸收也具有偏振性，当它们还来不及与周围分子发生碰撞时,用第二束594纳米的偏振光脉冲经皮秒光学延迟，进行探测。
根据探测光偏振度的变化，便可知道分子内的能量传递过程。
实验发现，被激发的振转分子的寿命为24皮秒。
如果这种分子被吸附在固体表面上，则激发后寿命仅有3皮秒。
将顺式-1,2-二苯乙烯溶于正己烷中，用脉宽仅为0.1皮秒的312.5纳米光脉冲泵浦，然后用光学延迟的312.5和625纳米光脉冲分别进行探测，发现顺式体在紫外线作用下首先生成寿命为3皮秒的中间体,然后过渡到寿命为1.35皮秒的电子激发态，最后才转变为反式体。
这样便及时地跟踪了分子在光作用下异构化的动态过程。
用脉宽为 5皮秒的530 纳米的光脉冲将溶在四氯化碳中的碘分子离解为原子，然后用同样激光脉冲经衰减和光学延迟后来探测重新生成的碘分子的吸收。
这样及时地观察到碘原子逃出液相“笼”进行重合所需的时间为140皮秒。
第十一章 时间分辨光谱
时间幅度转换（TAC）:
开始 结束
光脉冲
Stop 和start控制也可以调换
（光脉冲stop; 荧光start）
荧光
Na2分子寿命测量
第9.4节 Pump-probe技术
对于<10-10s的物理过程，一般的探测器难以响应 需要pump-probe技术
延迟时间可调
不同延迟时间，探测不同 时间的N1粒子数分布
Deflection voltage:
电场扫描，成像系统y方向上的位置 取决于电子到达偏转电场时间
I (t ) I ( y)
光脉冲经过色谱仪后，在x方 向产生色散
y方向脉宽 x方向色散
成像系统不同x位置相应不同 波长脉冲分布
商用条纹相机Y 方向偏转速度： 1cm/100ps – 1cm/10ns
超短脉冲反展20年
七、高功率超短激光脉冲的产生 1，利用染料对脉冲光放大
YAG泵浦
G1, G2, G3, G4:放大染料池，（同时增大脉宽） SA1, SA2, SA3;饱和吸收材料防止反射光反馈和压制自发辐射放大 grating pair: 脉宽压窄
2，啁啾脉冲放大（1012W～1015W）
折射率
电场诱导非线性极化
1，光强处诱导折射率大，光更加汇聚
Kerr lens focusing 2，脉冲入射光时间脉冲上中间部分的
光较强，Kerr汇聚效果更加明显，对应
与空间分别的中间部分。 3，利用光阑将空间周围低光强部分虑 掉，相当于将时间脉冲上脉冲头和脉冲 尾虑掉脉宽压窄
3、光学脉冲压窄 （线性、非线性色散）
> 20ps： 光二极管 (PIN)直接探测 ps： 条纹相机
< ps：
学术报告记录--荧光的飞秒时间分辨光谱
《学 术 报 告 记 录》报告题目：荧光的飞秒时间分辨光谱主 讲 人：时 间： 地点：学术报告主要内容（可加页）：一、荧光光谱荧光光谱的现象被观测是从400年前牛顿用棱镜将太阳光分解成彩色光谱开始的；其理论是100年以前爱因斯坦提出的光量子理论二、光谱仪：任何一台光谱仪一般都是又光源、分光系统（一般是光栅或棱镜）和探测器组成。
其简图如下所示：其中,对于光谱仪中的探测器对于单波长探测，一般用光电倍增管(PMT)；对于全光谱探测，一般用光学多通道分析仪(OMA)或电荷耦合器件(CCD)；对于弱光探测一般用ICCD 。
对于PicoStar-超快响应的增强型CCD ，其数据采集的方法是令激光重复频率和数据采集频率相同，这对对探测器的响应时间要求很快。
对于时间分辨光谱目前有两种方法：一是用现代相机进行连拍；二是用多个相机相继拍三、光学门-Kerr 效应实现的飞秒时间分辨光谱在电场作用下,各向同性的透明介质变为各向异性，从而产生双折射现象—电致双折射或克尔效应。
下图表示fs 脉冲在Kerr 介质中的瞬态双折对于Kerr 介质，一般选用非线性折射率大，响应速度快20||n n E γ=+，且要求在390~780nm 不能有单或双光子吸收。
用光学门可以实现的飞秒时间分辨光谱，其光学结构图如下图所示：在测量方面一般可用上转换荧光的方法来测量飞秒时间分辨光谱。
荧光上转换原理是：利用晶体的非线性效应，当两束光波同时入射到晶体上式衍射光除了含有原来频率的光场以外，还有两入射光场的合频光场，从而实现频率上转换。
在合频转化的过程中要遵守动量守恒123k k k +=和能量守恒123hv hv hv +=或312ωωω=+。
四、脉冲激光和光学门对于飞秒脉冲激光，其脉冲宽度一般为100fs ，重复频率(可调)一般为1kHz ，周期一般为1/1000Hz=1ms ，通过简单的计算容易得到：单周期内一个脉冲行走的距离为：10-3s ⨯3⨯108m/s=105m=100km ；单脉冲的空间长度为100⨯10-15s ⨯3⨯108m/s=3.0⨯10-5m=30μm 。
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相移法与SPC方法的比较
优点 相移法 ps时间分辨率 不需解卷积 SPC方法 灵敏度高 可得衰减曲线
缺点
只能测量τ值 需要足够的光强
时间分辨率50ps 需要解卷积 测量费时
时间分辨光谱
非辐射过程
~10-13s
激发
荧光
直接跃迁~10-9s 间接跃迁>10-6s
光物理过程及其时间尺度
时间分辨光谱
——荧光强度随波长和时间的分布
时间分辨光谱的意义
激发态寿命测量——量子效率 研究发光动力学过程 区分来自不同发光中心的荧光成分
荧光寿命τ与量子效率
非辐射过程
激发
荧光
τ0 → τ =τ/τ0
0 t
{ ｍ =cosθ=(1+ω τ )
tgθ = wτ
2 2 -1/2
相移法检测框图
时间相关单光子计数方法原理
脉冲光源激发后，样品发出荧光光 子。假定激发光脉冲足够弱，使得 每次脉冲后样品只产生单个荧光光 子。记录单个光子出现的时间ｔ， 经过多次计数，测得荧光光子出现 的几率分布Ｐ(ｔ)，此Ｐ(ｔ)曲线就 相当于激发停止后荧光强度随时间 衰减的Ｉ(ｔ)曲线。这好比一束光 (许多光子 )通过一个小孔形成的衍 射图与单个光子一个一个地通过小 孔长时间的累计可得完全相同的衍 射图一样
发光衰减曲线
包含两种发光中心的时间分辨光谱
BaF2的Cross-Luminescence：价带电子与最高芯带空穴间的带间复合跃迁发光。BaF2的 220nm快发光带迅速衰减至消失，而300nm慢发光带（0.6s）在激发停止后3.4--7.4ns 内才出现，在10-110ns内先逐渐增强随后逐渐衰减。当Ba++5p芯电子被激发到导带后留 下的芯空穴立即与F-2p价电子复合而产生220nm快发光组分，随后价带空穴与导带电子 形成自由激子，进而形成自陷激子产生了300nm慢发光带。而导带电子与价带空穴的弛 豫时间都很短(一般为ps量级)，所以300nm带出现的延迟(3.4-7.4ns)主要是来源于激 子的自陷过程及自由激子穿越势垒形成自陷所需的时间，或者说形成自陷激子所需的 时间为ns量级。
测量方法
相移法 时间相关单光子计数法
相 移 法
激发：Ｒ(ｔ)=Ｒ0[1+αcos(ωｔ)] 荧光： Ｆ(ｔ) =F0ｅｘｐ(-ｔ/τ)
t >> τ
I exp (t ) = R(t ) F (t ) = ∫ F0e[(t t′) /τ ] R0[1 + a cos wt]dt′ ∝ τ [1 + a cosθ cos(wt θ )]
时间—幅度转换器TAC
相 对 强 度
T
T
斜 坡 电 压
时间
时间
同步辐射电子储存环
时钟信号
同步辐射 开始
恒比甑别器
停止
激发单色仪
单色光
恒比甑别器
Байду номын сангаас
时幅转换器
样品
荧光
前置放大器
多道分析器
单道分析器
发射单色仪
光电倍增管
计算机
国际上几个主要同步辐射实验室研究荧光动力学使用的实验技术 SRS ACO ADONE 实验室 DORIS SPEAR CHESS NSLS Hamburg Stanfor Cornell Brookhaven Darebury Orsay Frascati Germany d USA USA UK France Italy USA SPC SPC SPC SPC SPC 实验技术 SPC 相移法