펨토초 초고속 분광학

초고속 분광법은 물질의 여기 상태 과정을 연구하는 데 자주 사용됩니다. 원자핵의 운동, 화학 결합의 비틀림 등 일반적인 분자 원자에서 발생하는 대부분의 물리적 효과는 펨토초에서 피코초 시간 범위에서 발생하며, 전하 분리 및 전달, 에너지 전달 등은 펨토초에서 나노초 범위에서 발생하고 발광 물질의 형광 수명은 일반적으로 나노초 규모에 해당합니다. 또한 빛 여기는 여기 상태 분자, 중성 라디칼, 양이온 또는 음이온 라디칼 등과 같은 풍부한 과도 생성물을 생성할 수 있습니다. 정상 상태 테스트 방법은 전체 공정의 통합 효과만 반영할 수 있지만 시간에 따른 공정의 변화는 반영하지 못하므로 시간 분해능은 분자 자체의 특성을 더 깊이 이해하기 위한 중요한 매개 변수가 됩니다. 일반적으로 사용되는 초고속 분광 시스템에는 펨토초 시간 분해능 형광 시스템과 펨토초 펌프-프로브 시스템의 두 가지 주요 유형이 있습니다.

(1) 펨토초 시간 분해능 형광(형광 업컨버전) 시스템:

이 시스템은 시간에 따른 발광 상태 형광의 감쇠를 조사하는 데 사용할 수 있으며 레이저 펄스 폭과 지연 라인의 길이 및 정확도에 따라 펨토초 미만에서 나노초 규모로 시간 분해능 형광 역학을 조사할 수 있습니다. 일반적으로 이 시스템은 수십~수백 펨토초의 시간 분해능을 달성할 수 있으며, 기술 원리는 그림 1에 나와 있습니다.

초고속 형광 업컨버전 분광 시스템은 펨토초 레이저 광원과 함께 구축된 펨토초 시간 분해능 규모의 과도 형광 분광 및 동역학을 위한 검출 시스템입니다. 펨토초 레이저 소스는 먼저 두 개의 레이저 빔으로 분할되고, 한 빔은 샘플을 여기시키는 데 사용되며, 결과 형광은 두 번째 펨토초 레이저(게이트 펄스 레이저)로 비선형 결정으로 수집되고 수렴되어 합 주파수 신호를 생성합니다. 두 펨토초 레이저 사이의 지연 시간은 광학 지연 라인으로 제어되며, 서로 다른 지연 시간의 합산 신호는 해당 순간의 형광 강도를 반영하여 형광 감쇠 신호의 수집을 fs 규모로 실현합니다. 일반적인 실험 광 경로는 그림 2에 나와 있습니다.

형광 업컨버전은 궁극적으로 시간 분해능, 측정 감도 및 정확도 측면에서 가장 경쟁력 있는 기술입니다. 이 기술은 자외선, 가시광선 및 근적외선 스펙트럼 영역을 연구하는 데 사용되어 왔으며 용해 역학, 분자 내 일관된 진동, 초고속 광 이성질화 반응 역학, 전하 전달 반응, DNA 뉴클레오시드와 뉴클레오타이드의 형광 특성, 구상 단백질의 여러 위치에서의 용해 반응, 생물 인식, 응축 물질에서의 유체 역학 등 다양한 현상을 연구하는 데 사용되었습니다.

(2) 펨토초 과도 흡수(과도 흡수) 기술이라고도 하는 펨토초 펌프-프로브(펌프-프로브) 시스템은 그림 3에 표시된 일반적인 시간 분해능 과도 흡수 실험 시스템인 풍부한 정보의 비발광 시료 여기 상태의 흡수 스펙트럼을 통해 감지할 수 있습니다.

광선 중 하나는 샘플을 여기시키는 펌프 광으로 사용되어 샘플의 특정 비율을 높은 전자 여기 상태로 여기시키는데, 이는 일반적으로 실험에 따라 0.11 TP3T에서 수십 퍼센트까지 다양합니다. 특정 지연 t 후, 다중 광자 효과를 피하는 약한 프로브 광이 샘플의 여기 영역을 통과하고 펌프 광의 존재 및 부재 조건(펌프/비펌프)에서 투과 스펙트럼 ΔT의 차이를 계산하고 펌프 광과 프로브 광 사이의 지연을 변경하여 시간과 파장의 함수로서 ΔT를 얻을 수 있습니다. 이러한 방식으로 시간에 따른 다양한 에너지 상태에서의 입자 수 분포 과정을 얻을 수 있습니다.

과도 흡수 분광학의 기초

펌프-프로브 과도 흡수 분광법은 물질 샘플의 기저 상태 흡수와 여기 상태 흡수 사이의 차이(ΔA)를 기반으로 하며, 시간 분해능 모니터링(프로브)을 사용하여 여기 후 다양한 시간에서 물질의 ΔA(t)를 측정합니다. ΔA와 여기 상태 흡수의 차이는 물질 여기 후 다양한 시간에 ΔA(t)의 시간 분해능 모니터링을 통해 모니터링됩니다.

동일한 전자 궤도는 스핀 방향이 반대인 두 개의 전자만 보유할 수 있기 때문에 시료 여기 후 동일한 렙토닉 에너지 레벨에서의 흡수 값(이미 하나의 전자로 궤도가 채워진 상태)은 A' < A로 작아지고 과도 신호 ΔA < 0(표백 신호)이 됩니다.

동시에, 물질 여기 후 생성된 여기된 전자 또는 정공은 프로브 빛(프로브)을 흡수하여 더 높은 에너지 준위의 전자 궤도로 점프하여 ΔA>0(빛 유도 흡수)의 과도 신호를 생성할 수 있으며, 과도 흡수 분광법을 사용하여 여기 후 다른 순간에 샘플의 ΔA를 감지하여 물질의 광 생성 전하의 동역학에 대한 정보를 얻을 수 있습니다. 복잡한 복합 시스템(예: 반도체-반도체, 반도체-유기/무기 분자, 분자-분자)에서 과도 흡수 분광법은 광 생성 전하 이완 및 점프, 여기 수명 및 광 생성 전하 이동, 계면 전하 분리, 에너지 전달 및 기타 물질 간의 운동 과정의 역학을 감지하는 데 사용할 수 있으며, 이는 광 생성 전하의 운동을 연구하는 데 강력한 도구가 됩니다.