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詳解飛秒瞬態(tài)吸收技術(shù)的原理及在材料科學(xué)和生物領(lǐng)域的應(yīng)用

來源：時(shí)間：2023-11-22 10:42:47 瀏覽：4968次

詳解飛秒瞬態(tài)吸收技術(shù)的原理及在材料科學(xué)和生物領(lǐng)域的應(yīng)用

飛秒瞬態(tài)吸收技術(shù)（Femtosecond Transient Absorption Spectroscopy，簡(jiǎn)稱 FTAS）是一種強(qiáng)大的光學(xué)手段，用于研究物質(zhì)在飛秒時(shí)間尺度內(nèi)的動(dòng)力學(xué)過程；該技術(shù)結(jié)合了飛秒激光脈沖和光譜學(xué)技術(shù)，能夠在原子和分子層面上實(shí)時(shí)觀察物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)變化。

一、原理

飛秒瞬態(tài)吸收技術(shù)利用飛秒激光脈沖對(duì)物質(zhì)進(jìn)行泵浦（激發(fā)），使物質(zhì)進(jìn)入激發(fā)態(tài)，在飛秒時(shí)間尺度內(nèi)，激光脈沖與物質(zhì)相互作用，導(dǎo)致物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)、結(jié)構(gòu)變化等過程；通過檢測(cè)激光脈沖泵浦前后物質(zhì)對(duì)特定波長(zhǎng)的吸收強(qiáng)度變化，可以獲得有關(guān)物質(zhì)動(dòng)力學(xué)過程的信息。

飛秒瞬態(tài)吸收技術(shù)的核心是飛秒激光器和光譜檢測(cè)系統(tǒng)，飛秒激光器產(chǎn)生具有皮秒或飛秒時(shí)間寬度的激光脈沖，用于泵浦物質(zhì)和記錄光譜信號(hào)；光譜檢測(cè)系統(tǒng)用于測(cè)量泵浦前后物質(zhì)的吸收強(qiáng)度變化，從而獲得瞬態(tài)吸收光譜；通過分析瞬態(tài)吸收光譜，可以揭示物質(zhì)在激發(fā)態(tài)下的結(jié)構(gòu)、能級(jí)壽命、動(dòng)力學(xué)過程等信息。

二、飛秒瞬態(tài)吸收技術(shù)在材料科學(xué)中的應(yīng)用

1. 材料制備與加工

通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料在制備過程中的吸收光譜變化，可以了解材料微觀結(jié)構(gòu)的演化，從而優(yōu)化制備工藝；例如，在激光熔融沉積、激光剝蝕等材料制備過程中，飛秒瞬態(tài)吸收技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)材料表面形態(tài)、相變、熔融等過程，提高制備質(zhì)量。

2. 材料動(dòng)力學(xué)研究

通過對(duì)材料在激發(fā)態(tài)下的吸收光譜進(jìn)行時(shí)間分辨測(cè)量，可以研究材料動(dòng)力學(xué)過程，如相變、缺陷形成、電子傳輸?shù)?；這些信息對(duì)于理解材料的微觀機(jī)理和優(yōu)化性能具有重要意義。

3. 光電器件研究

通過對(duì)光電器件在操作過程中的吸收光譜變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以研究光電器件的工作原理、動(dòng)力學(xué)過程和性能優(yōu)化；例如，在太陽能電池、發(fā)光二極管、激光器等光電器件的研究中，飛秒瞬態(tài)吸收技術(shù)發(fā)揮了重要作用。

三、飛秒瞬態(tài)吸收技術(shù)在生物領(lǐng)域的應(yīng)用

1. 生物分子研究

通過對(duì)生物分子在激發(fā)態(tài)下的吸收光譜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以研究生物分子的結(jié)構(gòu)、功能和動(dòng)力學(xué)過程；例如，在蛋白質(zhì)折疊、DNA 損傷修復(fù)、光合作用等生物過程中，飛秒瞬態(tài)吸收技術(shù)可以提供有關(guān)分子結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)信息。

2. 生物動(dòng)力學(xué)研究

通過對(duì)生物體系在激發(fā)態(tài)下的吸收光譜進(jìn)行時(shí)間分辨測(cè)量，可以研究生物體系的動(dòng)力學(xué)過程，如生物大分子的組裝、拆解、信號(hào)傳導(dǎo)等；這些信息對(duì)于理解生物體系的微觀機(jī)制和疾病發(fā)生發(fā)展機(jī)制具有重要意義。

3. 生物光子學(xué)研究

生物光子學(xué)研究生物體系中光與物質(zhì)相互作用的現(xiàn)象和機(jī)制，飛秒瞬態(tài)吸收技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物體系在光刺激下的吸收光譜變化，從而揭示生物光子學(xué)過程的微觀機(jī)理。

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