飞秒激光瞬态吸收/瞬态荧光光谱(TAS)

分类介绍

一、方案概述

飞秒激光瞬态吸收/瞬态荧光光谱系统（TAS）基于泵浦-探测（Pump-Probe）技术，通过捕捉激发态粒子在超快时间尺度（飞秒~纳秒）内的动态演化，揭示光物理、光化学与材料科学中的微观机制，是研究光与物质相互作用的核芯工具。系统以飞秒激光为光源，配合光学延迟线实现飞秒级时间分辨，覆盖紫外-可见-近红外宽波段探测，广泛应用于光催化、钙钛矿太阳能电池、OLED、光伏材料、光合作用与超快动力学研究等领域。

二、系统原理

（1）瞬态吸收光谱原理：将泵浦光（Pump）与探测光（Probe）在时间上分离——样品被泵浦光激发后，在后续不同时刻用探测光照射样品，通过对比激发与未激发样品对探测光的吸收差异（ΔA），捕捉激发态粒子的动态演化过程。根据朗伯比尔定律，瞬态吸收信号可通过透射率变化表示；在ΔA<<1时，ΔA与相对透射率变化成比例（ΔA≈−ΔT/ln10）。

图1 瞬态吸收光谱原理（泵浦-探测）

（2）瞬态吸收信号的三种来源：①基态漂白（GSB）——泵浦光激发后基态电子减少，对探测光的吸收减弱，表现为负信号（ΔA<0）；②激发态吸收（ESA）——处于激发态的电子再吸收探测光跃迁到更高能级，吸收增强，表现为正信号（ΔA>0）；③受激发射（SE）——激发态电子回迁基态时释放与探测光同相位的光子，进入探测器的光强增加，表现为负信号。通过对不同时刻光谱的采集，可提取某一波长下ΔA随时间变化的动力学衰减曲线，拟合得到不同动力学过程的速率参数。

图2 瞬态吸收信号来源（GSB/ESA/SE）

（3）飞秒时间分辨原理：泵浦光与探测光之间的时间延迟 Δt=Δx/c（Δx为光程差，c为光速），1μm光程差对应约3.3飞秒。系统采用步进电机驱动与精密滚珠丝杠的光学延迟线，实现微米级位移精度，为飞秒级时间分辨测量提供高稳定保障。

图3 瞬态吸收光谱基本光路（Pump-Probe）

三、系统组成与配置

系统由七大模块组成：

• 飞秒激光器：1030 nm或800 nm飞秒激光（重复频率1 kHz或5 kHz，脉宽<120 fs，功率<1 W@1kHz，空间模式TEM00）；
• OPA/倍频模块：用于产生波长更短或更长的激发光（可选OPA、266 nm飞秒合频组件等）；
• 激发光外光路模块：反射镜与光束爬高架，传输激发光至采集模块；
• 探测光外光路模块：反射镜、激光扩束模块与光束爬高架，传输激光至主腔体；
• 主腔体：产生不同波段探测白光（紫外/可见/近红外），并内置光学延迟线形成探测时间窗口；
• 采集模块：透射/反射双模式探测样品信号，光纤耦合至光谱仪；
• 电气控制模块：工控机、时序控制、光谱仪、斩波控制器、延迟线控制器等。

图4 系统组成与光路示意图

探测白光覆盖三个波段：紫外探测光（380~650 nm）、可见探测光（480~950 nm）、近红外探测光（1100~1650 nm），分别通过蓝宝石/氟化钙（CaF2）与YAG晶体产生宽波段白光。

四、关键技术指标

指标项	指标值
时间分辨率	由激光脉宽确定（<120 fs）
时间窗口	0~2 ns（基础款）；0~8 ns（选件）
探测波长	450~800 nm（基础款）；320~1600 nm（选件，覆盖UV/VIS/NIR）
使用激光器	飞秒激光 800 nm 或 1030 nm（1 kHz 或 5 kHz）
激光脉宽	<120 fs
激光功率	<1 W（1 kHz）
偏振	线性/水平
空间模式	TEM00
探测光波段	UV 380~650 nm；VIS 480~950 nm；NIR 1100~1650 nm
信号模式	ΔA / ΔT/T / ΔR/R
软件功能	2D彩图、动力学曲线、光谱采集、Time Zero校准、延迟线自动校准、Overlap自动调重合、分段/指数/文件扫描模式

五、典型应用

• 光催化：光生载流子动力学、电荷分离与复合过程研究；
• 钙钛矿与光伏材料：载流子迁移率、缺陷态与超快动力学表征；
• OLED与发光材料：激发态寿命、三线态-三线态湮灭、上转换机制；
• 光合作用与生物光化学：光合色素能量传递与电荷转移；
• 超快光物理：激发态吸收、受激发射、基态漂白、斯托克斯位移与内转换过程；
• 材料科学：半导体、量子点、二维材料（石墨烯/过渡金属硫化物）载流子动力学。

六、配套软件与数据采集

系统配备一体化控制与数据采集软件（UTAS/简并瞬态吸收测试系统软件）：支持2D彩图采集、动力学曲线提取、光谱显示；支持分段/指数/等距&指数/文件四种延迟时间扫描模式；具备Time Zero界面（延迟线自动校准、斩波器相位调节、背景扣除、Overlap自动调重合）；支持ΔA/ΔT/T/ΔR/R模式切换、参比与增益控制；数据自动保存并可导出CSV格式，供Origin等软件二次分析。

七、服务保障

尚朴光电提供需求分析、系统集成、安装调试、操作培训与售后技术支持的全流程服务；可根据客户需求定制功能（如Pump-Pump-Probe、附加吸收光谱测量、光致绝对量子效率测量、瞬态反射测量、显微共聚焦测量等）。

图5 系统光路实物图

一、方案概述

飞秒激光瞬态吸收/瞬态荧光光谱系统（TAS）基于泵浦-探测（Pump-Probe）技术，通过捕捉激发态粒子在超快时间尺度（飞秒~纳秒）内的动态演化，揭示光物理、光化学与材料科学中的微观机制，是研究光与物质相互作用的核芯工具。系统以飞秒激光为光源，配合光学延迟线实现飞秒级时间分辨，覆盖紫外-可见-近红外宽波段探测，广泛应用于光催化、钙钛矿太阳能电池、OLED、光伏材料、光合作用与超快动力学研究等领域。

二、系统原理

（1）瞬态吸收光谱原理：将泵浦光（Pump）与探测光（Probe）在时间上分离——样品被泵浦光激发后，在后续不同时刻用探测光照射样品，通过对比激发与未激发样品对探测光的吸收差异（ΔA），捕捉激发态粒子的动态演化过程。根据朗伯比尔定律，瞬态吸收信号可通过透射率变化表示；在ΔA<<1时，ΔA与相对透射率变化成比例（ΔA≈−ΔT/ln10）。

图1 瞬态吸收光谱原理（泵浦-探测）

（2）瞬态吸收信号的三种来源：①基态漂白（GSB）——泵浦光激发后基态电子减少，对探测光的吸收减弱，表现为负信号（ΔA<0）；②激发态吸收（ESA）——处于激发态的电子再吸收探测光跃迁到更高能级，吸收增强，表现为正信号（ΔA>0）；③受激发射（SE）——激发态电子回迁基态时释放与探测光同相位的光子，进入探测器的光强增加，表现为负信号。通过对不同时刻光谱的采集，可提取某一波长下ΔA随时间变化的动力学衰减曲线，拟合得到不同动力学过程的速率参数。

图2 瞬态吸收信号来源（GSB/ESA/SE）

（3）飞秒时间分辨原理：泵浦光与探测光之间的时间延迟 Δt=Δx/c（Δx为光程差，c为光速），1μm光程差对应约3.3飞秒。系统采用步进电机驱动与精密滚珠丝杠的光学延迟线，实现微米级位移精度，为飞秒级时间分辨测量提供高稳定保障。

图3 瞬态吸收光谱基本光路（Pump-Probe）

三、系统组成与配置

系统由七大模块组成：

• 飞秒激光器：1030 nm或800 nm飞秒激光（重复频率1 kHz或5 kHz，脉宽<120 fs，功率<1 W@1kHz，空间模式TEM00）；
• OPA/倍频模块：用于产生波长更短或更长的激发光（可选OPA、266 nm飞秒合频组件等）；
• 激发光外光路模块：反射镜与光束爬高架，传输激发光至采集模块；
• 探测光外光路模块：反射镜、激光扩束模块与光束爬高架，传输激光至主腔体；
• 主腔体：产生不同波段探测白光（紫外/可见/近红外），并内置光学延迟线形成探测时间窗口；
• 采集模块：透射/反射双模式探测样品信号，光纤耦合至光谱仪；
• 电气控制模块：工控机、时序控制、光谱仪、斩波控制器、延迟线控制器等。

图4 系统组成与光路示意图

探测白光覆盖三个波段：紫外探测光（380~650 nm）、可见探测光（480~950 nm）、近红外探测光（1100~1650 nm），分别通过蓝宝石/氟化钙（CaF2）与YAG晶体产生宽波段白光。

四、关键技术指标

指标项	指标值
时间分辨率	由激光脉宽确定（<120 fs）
时间窗口	0~2 ns（基础款）；0~8 ns（选件）
探测波长	450~800 nm（基础款）；320~1600 nm（选件，覆盖UV/VIS/NIR）
使用激光器	飞秒激光 800 nm 或 1030 nm（1 kHz 或 5 kHz）
激光脉宽	<120 fs
激光功率	<1 W（1 kHz）
偏振	线性/水平
空间模式	TEM00
探测光波段	UV 380~650 nm；VIS 480~950 nm；NIR 1100~1650 nm
信号模式	ΔA / ΔT/T / ΔR/R
软件功能	2D彩图、动力学曲线、光谱采集、Time Zero校准、延迟线自动校准、Overlap自动调重合、分段/指数/文件扫描模式

五、典型应用

• 光催化：光生载流子动力学、电荷分离与复合过程研究；
• 钙钛矿与光伏材料：载流子迁移率、缺陷态与超快动力学表征；
• OLED与发光材料：激发态寿命、三线态-三线态湮灭、上转换机制；
• 光合作用与生物光化学：光合色素能量传递与电荷转移；
• 超快光物理：激发态吸收、受激发射、基态漂白、斯托克斯位移与内转换过程；
• 材料科学：半导体、量子点、二维材料（石墨烯/过渡金属硫化物）载流子动力学。

六、配套软件与数据采集

系统配备一体化控制与数据采集软件（UTAS/简并瞬态吸收测试系统软件）：支持2D彩图采集、动力学曲线提取、光谱显示；支持分段/指数/等距&指数/文件四种延迟时间扫描模式；具备Time Zero界面（延迟线自动校准、斩波器相位调节、背景扣除、Overlap自动调重合）；支持ΔA/ΔT/T/ΔR/R模式切换、参比与增益控制；数据自动保存并可导出CSV格式，供Origin等软件二次分析。

七、服务保障

尚朴光电提供需求分析、系统集成、安装调试、操作培训与售后技术支持的全流程服务；可根据客户需求定制功能（如Pump-Pump-Probe、附加吸收光谱测量、光致绝对量子效率测量、瞬态反射测量、显微共聚焦测量等）。

图5 系统光路实物图

产品特点

• [{"name": "飞秒时间分辨"}, {"name": "宽波段探测"}, {"name": "瞬态吸收/瞬态荧光"}]