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超快激光泵浦-探测光谱系统典型配置及其选型技巧

作者:曹明明     发布时间:2020年06月02日     阅读次数:317

超快激光泵浦-探测技术,即通过调节泵浦光脉冲和探测光脉冲到达样品的时间间隔,在不同的探测光脉冲相对于泵浦光脉冲延迟时间的条件下,记录探测光通过样品后光强度的变化情况,从而研究被激发样品的光学参量随延迟时间变化的规律。

超快激光泵浦-探测技术可以用于研究物质超快过程中的能量转移、化学键的生成与断裂、电荷转移、原子价电子的电离、构型驰豫等。1999年的诺贝尔化学奖授给了埃及出生的科学家艾哈迈德·泽维尔(Ahmed H.Zewail),以表彰Zewail完成第一个飞秒化学实验所做的贡献。超快时间分辨瞬态吸收光谱是一种最常见的超快激光泵浦-探测技术。

典型超快激光泵浦-探测光谱系统的配置为飞秒激光光源、OPA(或谐波转换器)、泵浦-探测光谱仪,在此基础上可以进行荧光上转换(TF)、时间相关单光子计数(TCSPC)以及飞秒受激拉曼(FSRS)等扩展。


如图所示,为立陶宛Light Conversion公司搭建的一套完整超快激光泵浦-探测光谱系统。在光化学、光生物学、光物理学、材料物理、半导体物理、时间分辨光谱学中得到广泛应用。




完整超快激光泵浦-探测光谱系统


接下里,我们将拆分系统,针对全套系统中每个组成设备进行逐一分析,通过一些参数对比和分析帮您分析选择您需要的实验设备。

飞秒激光光源

常用于泵浦-探测光谱系统的飞秒激光放大器主要有两类,一类是钛宝石飞秒激光器,代表品牌Coherent、光谱物理等;一类是Yb:KGW飞秒激光器,代表品牌Light Conversion等。我们以经典型号的钛宝石飞秒激光器和Yb:KGW飞秒激光器为例,比较它们的参数以及在泵浦-探测光谱系统中的优缺点。


表1:Ti:Sapphire飞秒激光器和Yb:KGW飞秒激光器的参数性能比较



单脉冲能量:

泵浦-探测光谱实验样品处 需要的能量比较小,比如第一次ZnO纳米线实验的激光能量为40KW/cm²,第一次通信波长GaSb实验的激光能量为50μj/cm²。过大的能量会影响吸收信号,此时需要对激光强度进行衰减。有些科研工作者受条件限制会使用飞秒激光振荡器作为光源来进行泵浦-探测光谱实验,振荡器的单脉冲能量在几十到几百nj量级,只适用于对能量要求比较低的场景,比如部分显微泵浦-探测光谱实验。


脉冲宽度:

飞秒激光光源的脉冲宽度决定泵浦-探谱系统可以测量超快过程的时间尺度,300fs的脉冲宽度可以满足目前大部分实验需求。如确实需要用到几十fs脉冲宽度的光源,钛宝石激光器可以提供50fs的脉冲宽度,使用非共线OPA可以压缩到15-20fs;Yb:KGW激光器同样可以通过使用非共线OPA,将部分波段脉冲宽度压缩到20fs。


重复频率:

泵浦-探测光谱系统的推荐运行频率为20-200KHz。低于20KHz时,系统平均功率过低,数据信噪比过低,达到理想效果所需采集时间过长,通常使用1KHz的系统完成一个泵浦-探测光谱实验需要2-4个小时,而使用高重频的系统只需要几分钟。


高于200KHz时会产生平均热效应破坏样品,激光的泵浦能量也会过低。Yb:KGW飞秒激光器的高重复频率可以显著提高系统的信噪比(图1)。如果扩展TCSPC做荧光寿命测试则需要200KHz以上的重复频率。


图1. 不同重复频率下的光谱仪性能

泵浦-探测光谱仪

泵浦-探测光谱仪可以自己搭建,也可以选择市场上的泵浦-探测光谱仪产品。与传统搭建光路相比,成熟的泵浦-探测光谱仪产品,比如Light Conversion公司的HARPIA,集成度高,尺寸更小,同时具有更好的稳定性和易维护性。


PUMP配置选择:

泵浦-探测实验中PUMP光最重要的参数为样品pump波长处的单脉冲能量,通常推荐在需要波段拥有1-3μJ的能量,UV/VIS 紫外可见是最常用的波段。可调谐pump源是非常关键的,可以使用OPA(TOPAS、ORPHEUS等)来实现,如果预算有限,也可以选择2H、3H等谐波转换器。


PROBE配置选择

泵浦-探测实验中的PROBE光通常为飞秒脉冲激光激发非线性晶体产生的超连续白光。超连续白光的范围取决于两个因素,即激发光的波长和非线性晶体,常用的非线性晶体有Al₂O₃,CaF₂等,关于这两种晶体的激发波长与白光范围的关系如下表所示。需要注意的是CaF₂晶体对热效应比较敏感,不适用于高重复频率的系统。


表2:Al₂O₃,CaF₂晶体的激发波长与白光范围的关系


此外在泵浦-探测光谱系统中,我们还需要根据PROBE光的波长选择相匹配的光栅光谱仪和光谱探测器。根据探测波段的不同,可选的光谱探测器有硅基光电二极管探测器、InGaAs光电二极管探测器、InGaAs阵列探测器等。


近年来超快激光泵浦-探测光谱技术在物理、化学、材料科学等科研领域的应用越来越广泛。科研工作者们在选择采购此类仪器时,需要综合考虑实验的具体需求,结合所筛选的系统性能和可扩展性,选择一款性价比最高的产品。


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