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詳解飛秒瞬態(tài)吸收技術的原理及在材料科學和生物領域的應用

來源：時間：2023-11-22 10:42:47 瀏覽：5634次

詳解飛秒瞬態(tài)吸收技術的原理及在材料科學和生物領域的應用

飛秒瞬態(tài)吸收技術（Femtosecond Transient Absorption Spectroscopy，簡稱 FTAS）是一種強大的光學手段，用于研究物質在飛秒時間尺度內的動力學過程；該技術結合了飛秒激光脈沖和光譜學技術，能夠在原子和分子層面上實時觀察物質的微觀結構變化。

一、原理

飛秒瞬態(tài)吸收技術利用飛秒激光脈沖對物質進行泵浦（激發(fā)），使物質進入激發(fā)態(tài)，在飛秒時間尺度內，激光脈沖與物質相互作用，導致物質發(fā)生化學反應、結構變化等過程；通過檢測激光脈沖泵浦前后物質對特定波長的吸收強度變化，可以獲得有關物質動力學過程的信息。

飛秒瞬態(tài)吸收技術的核心是飛秒激光器和光譜檢測系統(tǒng)，飛秒激光器產生具有皮秒或飛秒時間寬度的激光脈沖，用于泵浦物質和記錄光譜信號；光譜檢測系統(tǒng)用于測量泵浦前后物質的吸收強度變化，從而獲得瞬態(tài)吸收光譜；通過分析瞬態(tài)吸收光譜，可以揭示物質在激發(fā)態(tài)下的結構、能級壽命、動力學過程等信息。

二、飛秒瞬態(tài)吸收技術在材料科學中的應用

1. 材料制備與加工

通過實時監(jiān)測材料在制備過程中的吸收光譜變化，可以了解材料微觀結構的演化，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)吸收技術可以實時監(jiān)測材料表面形態(tài)、相變、熔融等過程，提高制備質量。

2. 材料動力學研究

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

3. 光電器件研究

通過對光電器件在操作過程中的吸收光譜變化進行實時監(jiān)測，可以研究光電器件的工作原理、動力學過程和性能優(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)吸收技術發(fā)揮了重要作用。

三、飛秒瞬態(tài)吸收技術在生物領域的應用

1. 生物分子研究

通過對生物分子在激發(fā)態(tài)下的吸收光譜進行實時監(jiān)測，可以研究生物分子的結構、功能和動力學過程；例如，在蛋白質折疊、DNA 損傷修復、光合作用等生物過程中，飛秒瞬態(tài)吸收技術可以提供有關分子結構和動力學信息。

2. 生物動力學研究

通過對生物體系在激發(fā)態(tài)下的吸收光譜進行時間分辨測量，可以研究生物體系的動力學過程，如生物大分子的組裝、拆解、信號傳導等；這些信息對于理解生物體系的微觀機制和疾病發(fā)生發(fā)展機制具有重要意義。