超快瞬态吸收光谱仪

背景介绍—瞬态吸收光谱和瞬态吸收成像的应用基于泵浦探测（Pump-Probe）原理的瞬态吸收光谱，在频率维度和时间维度上提供了丰富的光谱和动力学信息，过去的几十年应用于物理、化学、材料、能源、生物等广泛领域。当今，许多领域科学研究的范式和需求都在不断更新。尤其是随着钙钛矿光伏、二维材料、量子器件、高温超导等前沿领域的发展，科学家迫亟需在空间维度上揭示载流子等微观离子的迁移和演化规律，研究微纳米材料的物理态在空间分布上的异质性。瞬态吸收成像，可在空间和时间维度上研究微观粒子和能量的运动和演化，是研究微观粒子和能量的时空演化、阐释微观机制的重要工具。瞬态吸收成像，一般有两种实现方式，点扫描成像和宽场成像。相对点扫描成像，宽场成像模式具有速度快、通量高，成像质量更加细腻的特点。Omni-TAM900为北京卓立汉光仪器有限公司全新推出的一款宽场飞秒瞬态吸收成像系统。该系统集成像和动力学于一体，联合飞秒泵浦-探测技术和显微技术，通过自主知识产权的干涉放大技术增强图像信噪比，可获得高质量的成像效果并大幅度缩短测试时间。仪器基本功能和性能：仪器具有点泵浦-宽场探测，和宽场泵浦-宽场探测两种工作模式。分点泵浦模式可用于测量载流子迁移和热导率等；宽场泵浦模式可用于测量载流子分布和物理态的空间异质性等。仪器特点和创新高灵敏、高通量，可测量到单个纳米颗粒、单层石墨烯乃至单层分子晶体的瞬态吸收信号。仪器原理和实现方式Omni-TAM900宽场飞秒瞬态吸收成像系统原理如下图所示，经过飞秒激光器和光学参量放大器（OPA）之后出来的飞秒激光，通过显微镜的光学系统进入，并作为泵浦光源激发样品，而另一束经过空间调制的探测光在一定的时间延迟之后也经过显微系统到达样品，样品在激发态对探测光产生的吸收情况会被显微镜上的sCMOS 相机记录下来。通过调节光学延迟线（Optical Delay Line），得到样品在不同延迟时间下的sCMOS图像。Omni-TAM900 可以有两种成像模式（如下图所示）： 聚焦泵浦光模式（点泵浦，宽场探测）和宽场泵浦光模式（宽场泵浦、宽场探测），前者主要用于研究载流子的迁移，后者用于检测载流子的空间分布状况。软件软件可进行同步采集，自动控制和处理，载流子的寿命、载流子的迁移速率、载流子的分布、动力学等信息均可以通过软件得到。应用方向及实测数据 Omni-TAM900宽场飞秒瞬态吸收成像系统是测量载流子时空演化的强大工具，可广泛应用于物理、材料及器件的前沿研究，比如：太阳能电池、低维材料、量子器件、超导材料、新型半导体、纳米催化、生物传感等，对纳米尺度和飞秒时空尺度中的超快的物理、化学及生物过程进行监测。 金属镀膜中的载流子迁移和热扩散10 nm厚金属薄膜上的超快热载流子和热扩散，采用仪器的点激发，宽场探测模式。半导体中的载流子迁移和热扩散同时监测Si基半导体中的载流子迁移和热扩散（可测量半导体材料的热导率），采用仪器的点激发，宽场探测模式。光伏材料中的载流子迁移和演化钙钛矿CsPbBr3载流子成像，迁移动力学及边缘态动力学研究。采用仪器的宽场激发，宽场探测模式催化材料中的热载流子分布和“热点”局部热电子密度高、寿命长，可能具有更高的催化活性。采用仪器的宽场激发，宽场探测模式。新型二维材料中的边缘物理态研究二维WS2中激子分布情况，激子寿命研究。可以看到，多层的边缘具有更高激子密度和更长激子寿命技术参数 光源飞秒激光 +OPA，激光波长范围取决于应用场景检测器sCMOS成像空间分辨率500 nm载流子迁移定位精度30nm时间分辨率500 fs (100 fs 激光脉冲条件下）时间延迟线0-4 ns/0-8 ns显微镜模块倒置显微镜，上方为开放空间，后期可兼容低温模块、探针台、电学调控、磁场等特殊实验场景。测量模式点泵浦 + 宽场探测（载流子迁移）宽场泵浦 + 宽场探测（载流子分布）仪器工作模式反射 / 散射已发表文献：J. Am. Chem. Soc. 2022, 144, 13928专利：202110510123.X（以上展示的所有实测数据均为本型号仪器测得，并已公开发表，更多细节请查阅以上文献）。更多参考文献：（为了方便用户参考研究前沿，如下列出一些国际上利用瞬态吸收成像方法的研究案例。这些数据并非用该型号仪器获得，但是卓立Omni-TAM900仪器可实现这些应用场景中的绝大多数功能。如有特殊需求，欢迎与卓立汉光联系。）Science 2017, 356, 59 (钙钛矿超长热载流子)Nat. Mater. 2020, 19, 617 （转角二维量子异质结）Science 2021, 371, 371 （超导材料电荷密度波）Science 2022, 377, 437 （立方砷化硼超高载流子）Nat. Mater. 2020 , 9, 56 (材料中的携能载流子)

超快光谱超快光谱探测技术被认为是自量子力学诞生以来，能够在相应非常短的时间尺度内探索微观量子性质的最有利工具之一，在研究超导材料的机理、非平衡物理及新奇量子态的诱导、量子态的外场调控等方面同样具有重要作用。很多新材料的研发需要借助超快光谱探测技术手段进行，如半导体磁性材料、超导体、绝缘体、复杂材料、太阳能电池等。在生物科学领域，NA、RNA等生物大分子在光激发后的反应过程和动力学过程，生物大分子的结构和生理机能探索，生物医学领域的基因工程等研究也需要超快光谱探测技术。显微超快光谱可以在微观尺度上探测样品的超快分子动力学过程，例如二维材料中边缘态动力学，载流子分布及扩散，光催化材料中的催化热点研究等等。卓立汉光的超快光谱测试系统，根据用户需求基于RTS显微系统，灵活搭建飞秒激光器、条纹相机、荧光寿命成像、飞秒瞬态吸收成像等超快模块，为超快化学及激发态动力学理论研究以及超快化学、物理和生物等交叉学科的研究提供更全面的数据支撑。超快光谱测试系统特点基于飞秒/皮秒激光器搭建，利用高能超短脉冲激发分子内部的动力学过程，监测过程中释放的超快荧光及瞬态吸收信号。激发光源可以自由切换，荧光显微系统使用高精度样品位移台，实现荧光寿命成像及荧光强度成像。条纹相机、光谱仪、显微镜构成联合诊断系统，提供超快空间-强度-时间分辨参数。飞秒瞬态吸收成像部分基于宽场显微镜搭建，可进行高通量快速成像。 超快光谱测试系统技术参数 荧光寿命成像光谱扫描范围200-900nm最小时间分辨率16ps荧光寿命测量范围500ps-10μs空间分辨率≤1μm@100X物镜@405nm皮秒脉冲激光器条纹相机光谱测量范围200-900nm时间分辨率≤5ps, (最小档位时间范围+光谱仪光路系统)测量时间窗口范围500ps-100us(十档可选)工作模式静态模式，高频同步模式以及低频触发模式系统光谱分辨率0.2nm@1200g/mm单次成谱范围≥100nm@ 150g/mm宽场飞秒瞬态吸收成像成像空间分辨率500 nm载流子迁移定位精度30nm时间分辨率500 fs (100 fs激光脉冲条件下）时间延迟线0-4 ns/0-8 ns显微镜模块倒置显微镜，上方为开放空间，后期可兼容低温模块、探针台、电学调控、磁场等特殊实验场景测量模式点泵浦+宽场探测（载流子迁移）宽场泵浦+宽场探测（载流子分布）仪器工作模式反射/散射新型二维材料中的边缘物理态研究（飞秒瞬态吸收成像系统）二维WS2中激子分布情况，激子寿命研究。从图中可以看出，二维WS2材料中多层的边缘具有更高激子密度和更长激子寿命。 ASE超快发光过程监测（条纹相机） 钙钛矿样品中的放大自发辐射（Ampl i f i ed Spontaneous Emission，ASE）发光过程研究。条纹相机可以监测到随着激光功率逐渐增大，样品从单纯的荧光发射（左图）变成荧光与ASE混合发光（中图），最后到只有ASE发光（右图）的全部过程。 钙钛矿荧光寿命成像（荧光寿命成像系统）钙钛矿样品不同寿命组分的寿命成像和相对振幅成像图。从图中可以看到两个寿命组分及其相对含量在样品中的分布情况。

超快瞬态吸收光谱系统一体机TA-ONE系列一体式超快瞬态吸收光谱是基于我司的超快时间分辨光谱技术, 模块化结构和飞秒激光光源实现的一体化设计系统。该系列系统稳定性高，一体 化设计，无需复杂光路调节，并配备飞秒激光光源，性价比极高。能够适用于半 导体材料、太阳能电池材料、二维材料、光催化材料、光电检测材料等广泛的材 料研究领域。主要技术指标检测模式：透射、反射模式可切换 光谱检测系统：光谱仪配高速CMOS线阵传感器 光谱检测范围：可见光：480-940nm 时间窗口：8ns 仪器响应函数（IRF）时间：典型值500fs（1.5倍激光脉宽） 检测灵敏度: 0.3 mOD 激发光源：1030nm、515nm、343nm可软件控制切换 紫外拓展模块： 采用BBO晶体和蓝宝石拓展白光光谱探测范围至紫外区域 光谱探测范围：380-750nm 近红外拓展模块： 加配近红外光谱检测系统，包括近红外光谱仪、高速近红外 CMOS 传感器 光谱探测范围：1100-1650nm系统配有高稳定飞秒激光器:平均功率：20W中心波长:1030±5nm脉冲宽度：＜ 500fs重频：100K单脉冲能量：40μJ