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光纤光谱仪在超快丈量中的操纵

宣布时候:2019-06-24 10:13:04


 

当一个份子接收一个光子时,它将能量付与该份子,使其临时从基态激起到更高的电子能级或振动能级。由于能量守恒定律,只要当光子能量恰好即是基态和激起态的差时,光子能力被接收,且份子的数目和被接收光子的数目有间接的干系,进而可间接肯定份子的密度。是以,接收是经常操纵的光谱手艺之一,出格是在浓度丈量方面由接收引发的激起态寿命大大都都很是长久凡是为飞秒或皮秒量级,但亚不变激起态除外。基于这一现实,1950年,乔治·波特和罗纳德·诺里什在剑桥大学时认识到他们可以或许或许操纵闪光灯经由进程一种称为闪光光解的体例来研讨份子间的能量转换[1]。直到超快锁模激光器的发明,迷信家们才得以充实操纵波特和诺里什的进献他们两人由于这一发明取得了1967年的诺贝尔化学奖明天,超快激光器已代替了闪光灯成为这些范例的尝试挑选的激起源,这类手艺更常被称为瞬态接收光谱(TAS)

在太阳能电池资料、光催化资料任务的进程中,城市触及空穴电子弛豫和转挪能源学,此中激起态弛豫、电荷分手转移、载流子冷却和界面电荷转移等进程都是发生在很短的时候规范内,惯例的测试体例难以知足须要。超快光谱探测手艺的成长赞助研讨者停止激起态电子空穴的弛豫能源学研讨,剖析资料的微观感化机制,进而为资料的设想开辟如晋升电子空穴转移效力、公道防止倒霉的转移进程、削减电荷丧失等供给赞助。

本文以荷兰Avantes公司的微型光纤光谱仪AvaSpec-ULS2048CL-EVO为例,先容微型光谱仪在超快丈量方面的操纵。


1 仪器道理
荷兰Avantes公司的AvaSpec-ULS2048CL光纤光谱仪,接纳对称式光路设想,焦距75mm,包含光纤讨论(规范SMA接口)、准直镜、衍射光栅、聚焦镜和2048像素线阵CMOS探测器,波长规模200-1100nm,分辩率可达0.06nm,供给USB3.0接口、高速网口和I/O外触发同步接口。

                                                          

                             

1  AvaSpec-ULS2048CL-EVO光谱仪的光学平台

2 超快光谱测试道理

 

操纵超快激光停止瞬态接收光谱测试有很多差别的体例,根基上按照泵浦探针。该体例须要两束激光同时激起阐发物并丈量吸光度。起首,高强度的泵浦激光激起样品中的局部份子到更高的能级,从而转变了份子的居数差,下降了跃迁的接收系数。而后,经由进程低强度的探针激光通丈量样品接收。经由进程计较有没有泵浦激光时探针激光的接收差值,就可以或许或许肯定接收的变更。而后按照泵浦脉冲与探针脉冲的差别提早时候体系反复此进程,丈量发射探针脉冲能量的变更,如图2所示。从这些数据,咱们此刻可以或许或许成立能级跃迁能源学的图象,并肯定自觉寿命和其余瞬态效应。


2: Simulated pump-probe TAS kinetic decay data.


AvaSpec-ULS2048CL-EVO光谱仪在超快操纵测试中可接纳单通道或双通道两种体例。单通道体例是操纵一台光谱仪事后测试存储未安排样品时宽带白光的光作为参考,随后操纵该光谱仪测试白光颠末样品后的接收光谱。双通道体例是接纳两台光谱仪,一台光谱仪测试白光颠末样品的光谱,别的一台光谱仪及时测试宽带白光的光源作为参考,防止光源不不变对成果的影响,两台光谱仪可经由进程归一化消弭台间差,经由进程同步线保障呼应同步。别的,由于光谱仪的矫捷性,研讨者可按照本身的尝试须要设想光谱仪的测试体例,以下两图为原吉林大学隋来志博士设想的测试光路。


3  瞬态光谱测试光路设想

图片来历:发光碳基纳米资料的超快能源学研讨,隋来志,吉林大学


4  超快光学测试什物图

图片来历:大连化物所,超快激光手艺于能源学组(1116组)



3 光谱仪先容

瞬态接收光谱丈量须要光谱仪有充足高的测试速率,保障可以或许或许捕获充足多的数据点。且瞬态接收是经由进程差分光谱丈量获得的,这类差别可以或许或许很是纤细,是以须要光谱仪有充足的静态规模。别的,也须要可以或许或许被提早线触发。

AvaSpec-ULS2048CL-EVO高速光谱仪接纳新型CMOS探测器,该探测器比CCD探测用具备更大的静态规模和更快的读出速率。共同静态存储功效Store to RAM保管扫描到仪器上的RAM缓冲区,并同时卸载到计较机重,用户可完成2.23 KHz的采样频次,同时可以或许或许保障收罗的一切数据完全、不丧失。光谱仪可经由进程I/O接口在外触发形式下任务,外触发提早时候可控(0.9 μs - 89 s),积分提早时候可控(-20 ns - 89 s)。


4.操纵实例

超快光谱学研讨超快光学特征和超快光与物资的彼此感化,可普遍操纵于物理、化学、信息、生物、资料、医疗、能源、情况等浩繁范畴。在物理上,接纳飞秒泵浦-探测光谱法研讨半导体及界面复合的超快光物理布局,比方,电荷复合、载流子散射、分手、弛豫、捕获和光激起等能源学进程;磁性资料的超疾速存储于读写的退磁再磁化进程,在超快磁存储、量子信息和信息处置等范畴有主要操纵。化学上,超快光谱可研讨各化学反映的超快能源学进程,如化学键断裂和天生,质子电子转移,份子解离,化合物异构,能量转移等进程。生物学,超快光谱能勾丈量生物体中发生的飞秒量级的能量通报和电荷转移进程。


腺嘌呤水溶液中N-H键裂变

Avantes光谱仪已普遍被迷信团队用来丈量瞬态接收光谱。布里斯托大学一个小组颁发的对于腺嘌呤水溶液中N-H键裂变的文章便是一个很好的例子,该文章详细地展现了瞬态接收光谱数据的功效[2]。图五的成果是用Avantes公司出产的AvaSpec-FAST型号光谱仪测试获得的,该光谱仪只用750个像素测试200-620 nm的波长规模,样品被266 nm泵浦激光和超持续探测激光激起,脉冲提早从-500 fs3 ps。从以下数据可以或许或许直旁观出,样品经激光脉冲激起后,其接收系数变更与时候有干系。研讨职员按照图5b的拟合曲线肯定了自觉寿命(或他们所说的时候常数)为470 +/- 18 fs


5: (a) Waterfall plot of TAS spectra of Ade[-H] in D­2O excited with a 266 nm pump laser as a function of delay time, and (b) normalized decay kinetics at 400nm.[2]

 

氰钴胺激起态的行动

别的一个成心思的操纵是密歇根大学(the University of Michigan)颁发的对于氰钴胺激起态在生物体系中的感化[3]。如图6所示,他们操纵Avantes的光谱仪测试差别溶剂对电子跃迁的影响。研讨小组操纵这些尝试数据考证了他们研发的庞杂量子力学模子的感化,并为进一步研讨可以或许或许用作作抗维生素、光活性药物通报剂和原位发生烃基自在基的钴胺素辅酶因子奠基了根本。


6: TAS spectra of CNCbl in water, ethanol, and a 1:1 mixture of water and ethanol. Excited with a 266 nm pump laser [3].

 

氧化石墨烯的光复原

由马克斯·普朗克研讨所(the Max Planck Institute),汉堡大学(University of Hamburg),约阿尼纳大学(University of Ioannina)和多伦多大学(University of Toronto)构成的结合小组操纵瞬态接收光谱手艺更好地诠释了氧化石墨烯的光复原进程[4]。在这项研讨中,他们经由进程瞬态接收光谱察看了两个堆叠的衰减,一个发生在2 ps以下,别的一个发生在2 ps250 ps之间,终究标明光复原进程是一个多步骤进程。疾速衰减与氧化石墨烯离子化和发生水的溶剂化电子相干,而后溶剂化电子与氧化石墨烯彼此感化致使在迟缓衰变时代引发复原。 7中所示的数据是操纵Avantes光纤耦合光谱仪搜集的,并操纵266 nm泵浦激光激起。



7: Short term (a) an long term (b) kinetic decay of photoreduced graphene oxide in water using a 266nm pump and the differential absorption at 400 nm[4].


5.  论断


操纵AvaSpec-ULS2048CL-EVO光谱仪停止瞬态接收光谱丈量,具备丈量速率快、操纵简略、模块矫捷性高、性价比高、丈量精度高档特色,很是合适瞬态接收光谱丈量范畴高频次的测试须要。同时Avantes还可以或许或许为您供给更多的挑选,如合用短波段规模的光谱仪AvaSpec-Fast系列;体积更小(扑克牌巨细)的光谱仪CompactLine系列;近红外波段(1000-1700 nm/2500 nm)光谱仪NIRLine系列。


 

[1] Porter, G.N., 1950. Flash photolysis and spectroscopy. A new method for the study of free radical reactions. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 200(1061), pp.284-300.

[2] Roberts, G.M., Marroux, H.J., Grubb, M.P., Ashfold, M.N. and Orr-Ewing, A.J., 2014. On the participation of photoinduced N–H bond fission in aqueous adenine at 266 and 220 nm: a combined ultrafast transient electronic and vibrational absorption spectroscopy study. The Journal of Physical Chemistry A, 118(47), pp.11211-11225.

[3] Wiley, T.E., Arruda, B.C., Miller, N.A., Lenard, M. and Sension, R.J., 2015. Excited electronic states and internal conversion in cyanocobalamin. Chinese Chemical Letters, 26(4), pp.439-443.

[4] Gengler, R.Y., Badali, D.S., Zhang, D., Dimos, K., Spyrou, K., Gournis, D. and Miller, R.D., 2013. Revealing the ultrafast process behind the photoreduction of graphene oxide. Nature communications, 4(1), pp.1-5.