光纤光谱仪在超快测量中的应用

发布时间:2020-06-24 10:13:04



在太阳能电池材料、光催化材料工作的过程中,都会涉及空穴电子弛豫以及转移动力学,其中激发态弛豫、电荷分离转移、载流子冷却以及界面电荷转移等过程都是发生在很短的时间尺度内,常规的测试方式难以满足需求。超快光谱探测技术的发展帮助研究者进行激发态电子空穴的弛豫动力学研究,解析材料的微观作用机制,进而为材料的设计开发如提升电子空穴转移效率、合理避免不利的转移过程、减少电荷损失等提供帮助。

超快光谱学研究超快光学特性以及超快光与物质的相互作用,可广泛应用于物理、化学、信息、生物、材料、医疗、能源、环境等众多领域。在物理上,采用飞秒泵浦-探测光谱法研究半导体及界面复合的超快光物理结构,例如,电荷复合、载流子散射、分离、弛豫、捕获和光激发等动力学过程;磁性材料的超快速存储于读写的退磁再磁化过程,在超快磁存储、量子信息和信息处理等领域有重要应用。化学上,超快光谱可研究各化学反应的超快动力学过程,如化学键断裂和生成,质子电子转移,分子解离,化合物异构,能量转移等过程。生物学,超快光谱能勾测量生物体中发生的飞秒量级的能量传递和电荷转移过程。

本文以荷兰Avantes公司的微型光纤光谱仪AvaSpec-ULS2048CL-EVO为例,介绍微型光谱仪在超快测量方面的应用。

1 仪器原理
荷兰Avantes公司的AvaSpec-ULS2048CL光纤光谱仪,采用对称式光路设计,焦距75mm,包括光纤接头(标准SMA接口)、准直镜、衍射光栅、聚焦镜和2048像素线阵CMOS探测器,波长范围200-1100nm,最高分辨率0.06nm,提供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 性能介绍

AvaSpec-ULS2048CL-EVO高速光谱仪采用新型CMOS探测器,配合板卡平均功能可实现2.23 KHz的采样频率,同时能够保证采集的所有数据完整、不丢失。光谱仪通过I/O接口在外触发模式下工作,外触发延迟时间可控(0.9微秒-89秒),积分延迟时间可控(-20ns-89s)。


3 超快光谱测试方式

常见的超快光谱技术主要有泵浦/抽运-探测超快光谱、时间分辨发光光谱、瞬态吸收光谱等。本文主要介绍瞬态吸收光谱,首先它是一种时间分辨技术,其次它是吸收光谱;最早诞生于光化学领域,用于测量光化学反应的过渡态。用一束单色脉冲光泵浦样品,脉冲光在瞬间释放高能量,将分子或原子能级从基态提升到激发态,同时用另一束宽带白光照射样品,探测样品被脉冲光激发过程中光吸收发生的变化,因此瞬态吸收也被称为“泵浦-探测”。

为了避免光源不稳定对结果的影响,AvaSpec-ULS2048CL-EVO光谱仪在超快应用测试中可采用单通道或双通道两种方式。单通道方式是使用一台光谱仪预先测试存储未放置样品时宽带白光的光作为参考,随后使用该光谱仪测试白光经过样品后的吸收光谱。双通道方式是采用两台光谱仪,一台光谱仪测试白光经过样品的光谱,另外一台光谱仪实时测试宽带白光的光源作为参考,两台光谱仪可通过归一化消除台间差,通过同步线保证响应同步。此外,由于这款光谱仪使用起来非常灵活方便,研究者还可以根据自己的实验需求设计光谱仪的测试方式,以下两图为原吉林大学隋来志博士设计的测试光路。


2  瞬态光谱测试光路设计

图片来源:发光碳基纳米材料的超快动力学研究,隋来志,吉林大学




3  超快光学测试实物图

图片来源:大连化物所,超快激光技术于动力学组(1116组)



4.测试结果


4  测试结果图

图片来源:基于金属表面等离子体激元的耦合杂化态的超快光谱研究,王海,吉林大学




5  超快光谱三维展示结果

 

5.  结论


使用AvaSpec-ULS2048CL-EVO光谱仪进行超快光谱测量,具有测量速度快、操作简单、模块灵活性高、性价比高、测量精度高等特点,非常适合超快测量领域高频率的测试需求。同时Avantes还能够为您提供更多的选择,如适用短波段范围的超快光谱仪AvaSpec-Fast系列;体积更小(扑克牌大小)的光谱仪AvaSpec-Mini系列;近红外波段(1000-1700nm/2500nm)光谱仪AvaSpec-NIR系列。