激光和时间分辨光谱学

激光提供强度高、相干、可调谐的超短光脉冲，使光谱学家能够实时观察化学事件的展开，精确到反应过程中原子的飞秒级运动。

Definition

激光和时间分辨光谱学包括利用激光的特殊性质，特别是超短脉冲，以高灵敏度记录光谱并随时间跟踪分子过程的光谱技术。

Scope

本主题涵盖激光实现的光谱方法：使其成为可能的光束特性，包括单色性、相干性、高强度和超短脉冲持续时间。它发展了时间分辨和泵浦-探测技术，用于跟踪激发态和反应动力学、超快和飞秒光谱学以及飞秒化学，以及多光子和相干拉曼光谱等非线性方法。这些方法所扩展的稳态电子和振动光谱学在相关主题中进行讨论。

Core questions

• 激光的哪些特性使其能够实现传统光源无法实现的光谱技术？
• 泵浦-探测方法如何实现远超电子探测极限的时间分辨率？
• 飞秒化学如何观察键断裂和形成过程中原子的运动？
• 非线性和多光子方法如何进入其他无法接近的态？

Key concepts

• 激光特性：相干性、强度、可调谐性、脉冲持续时间
• 泵浦-探测光谱学
• 超快和飞秒光谱学
• 飞秒化学
• 非线性和多光子光谱学

Key theories

泵浦-探测时间分辨率

第一个激光脉冲启动一个过程，第二个延迟脉冲探测系统；通过扫描延迟时间，可以重建动力学，其时间分辨率由脉冲持续时间而非探测器速度决定。

飞秒化学

使用短于振动周期的脉冲，可以直接观察反应分子的过渡态和中间几何结构，将活化络合物从推断变为可以实时跟踪的事物。

Clinical relevance

激光和时间分辨光谱学揭示了光合作用、视觉和光化学反应等快速过程的机制，实现了痕量检测和遥感，并提供了光子学、材料科学和反应动力学领域使用的超快测量工具。

History

由Townes、Maiman等人在1960年左右开发的微波激射器和激光器为化学领域提供了相干、高强度的光源；脉冲的持续缩短最终在1980年代后期由Zewail实现了飞秒级反应观测，创立了飞秒化学，并因此获得了1999年诺贝尔奖。

Key figures

• Ahmed Zewail
• Theodore Maiman
• Charles Townes

Seminal works

• zewail2000
• atkins2018

Frequently asked questions

光谱学如何分辨仅持续飞秒的事件？

电子探测器速度太慢，因此时间分辨率来自于两个超短激光脉冲之间的延迟：泵浦脉冲启动过程，探测脉冲在受控延迟后进行采样，从而逐点构建时间进程。

激光对光谱学如此有用的原因是什么？

激光强度高、高度单色、相干、通常可调谐，并且可以压缩成极短的脉冲；这些特性共同实现了非相干灯源无法实现的灵敏、选择性、非线性和时间分辨测量。