飞秒时间分辨二维电子光谱仪

 

原理：二维电子光谱本质上是三光子回波的四波混频过程，该技术原理最早是从核磁共振技术发展而来。该装置通过非共线构型下的三束飞秒激发脉冲在时间上构成的“脉冲序列”对样品进行连续作用，然后在“相位匹配”的方向上，利用第四束脉冲对信号进行外差探测。借助光谱仪和CCD探测器可以实现光信号在探测轴的频率分辨，通过扫描前两束激发脉冲的时间延迟（称为相干时间）并进行傅里叶变换，可以实现光信号在激发轴的频率分辨，由此构建出一幅二维光谱。而通过扫描第二、三束脉冲之间的时间延迟（称为布居时间）可以得到不同时刻下二维光谱的动力学演化过程。

实验使用的飞秒脉冲是由掺钛蓝宝石飞秒激光器所产生的35飞秒脉冲激光（中心波长在800 nm）经过非共线光参量放大装置产生。可调谐的光谱范围在490-750 nm可见光波段，光谱带宽可达60-100 nm，脉冲经过色散补偿后可压缩至10 - 20fs。从而整套实验系统提供了亚20fs的时间分辨率。

目前实验室有两套二维电子光谱仪装置： 基于分束镜分光的二维电子光谱仪和基于光栅衍射分光的二维电子光谱仪。前者主要在时间分辨率和空间体积方面上更具优势，而后者主要在相位稳定性和偏振控制方面上表现更好。

功能：特定布居时间下的一幅二维光谱可以同时实现激发频率和探测频率的分辨。相对于一维泵浦-探测光谱，二维光谱可以将探测频率轴的光谱信息沿激发频率轴展开，因此二维光谱可以反映更加清晰明了的动力学过程。通过改变布居时间，得到飞秒时间分辨率的不同布居时间下的二维光谱，这保证了二维光谱具有和一维泵浦-探测光谱一样的高时间分辨率。

基于激发频率和探测频率的二维分辨，以及动力学演化飞秒量级的时间分辨率，二维电子光谱在研究电子态的耦合、超快能量传递，相干动力学现象等方面具有突出优势。

应用：

1、光合生物的捕光天线、反应中心等的量子相干态传能的研究；

2、生物大分子、化学分子的电子转移、能量传递路径以及时间尺度的研究；

3、二维材料、有机薄膜、量子点、纳米晶等光电材料的激子耦合、迁移的研究。

科研进展：

【2017】细菌叶绿素分子激发态多振动模耦合量子相干态的飞秒时间分辨二维电子光谱测量

【2018】室温下光合捕光复合物LHCII的激发态动力学和二维电子光谱的模拟

发表文章：

CHINESE JOURNAL OF CHEMICAL PHYSICS, 28(4), p 509, 2015

Chemical Physics Letters 2017, 683, 591-597

Chemical Physics Letters 667 (2017) 79–86

J. Phys. Chem. B 2018, 122, 4642−4652

Chin. J. Chem. Phys. 2018,31(2):135-151

物理学报--2018, 67 (12)127801

Optics Epress, 2019, 27, 15474