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二维光谱学笔记之一

已有 3817 次阅读 2013-9-28 06:02 |个人分类:二维光谱学|系统分类:科研笔记| 超快激光, 二维光谱

  在美国待了六年多了,也算在学术界待了六年多了,经历了许多磨折,现在已基本上只想着如何跳出圈外进入到工业界内。然而对研究本身还是很有兴趣的,尤其是对于光学仪器的研发。也许以后就不再有机会好好地做这方面研究,不能再享受按照自己的意愿搭建仪器的乐趣,但我想毕竟这六年积攒了不少这方面的技术和经验,况且国内目前在该领域仍没有进展,如果不能与大家分享一下,让更多的人了解一下这项技术,未免有些可惜。当然,我不敢自称是该领域的专家,特别是理论方面只懂得皮毛,但我本来就对纯理论的不是特别感冒,最关心实用的部分。好久不练笔了,文笔也很生涩,何况我只是想把脑子里的东西理理,所以不小心看到我博客的大家不要有太多的期待。我想到什么就写什么。

  二维光谱学,英文名two-dimensional spectroscopy。我听说核磁共振NMR早就能做二维谱,但在高频的中红外区、近红外区、可见光区和紫外光区做二维光谱是近十几年的事了。一般大家把这些光谱学称作two-dimensional optical spectroscopy,以区别于核磁共振的无线电波区段。接下去我所提到的二维光谱学也只涉及高频光。

   “二维”的得名来自于最终得到的光谱图。二维光谱图有两个光频率轴,另一个轴是二维峰的强度,因为一般用的是Matlab里面的coutour plot(等高线绘图),强度轴映在平面图上,形成二维谱图,如下图所示。该图摘自Tulane University的Rubtsov组的文章。所以硬要说的话也可以说这是三维光谱,但是一般大家只把这样的光谱图称作二维光谱。另外一个我认为很重要的原因是,二维光谱的原理粗浅的理解是激发分子的某种振动模式或者是电子能态,然后探测另一个模式或能态,这两者相互作用反映在光谱上就是二维光谱。这里说的振动模式或是电子能态说的是一种共振态,也就是说一束光达到样品上,样品分子对某特定频率的光有所吸收之后跃迁到较高的分子振动能级或电子激发态。

   那二维光谱学有什么作用呢?其最大的作用就是观测分子中不同振动模式或电子能态之间的相互作用,从中能得到一些关于分子结构的信息以及能量或电子传递的信息。这些信息量要比光从红外光谱仪或者紫外可见光光谱仪上得到的吸收光谱要大得多。最为直观的好处大概就是在二维光谱中,本来挤在一团的吸收峰可以分离开来,有比较好的分辨率——至少对红外光谱而言。因为这一团的吸收峰里可能包含了好些振动模式,而这些振动模式所代表的基团以及这些基团在分子上的位置都是不一样的,当用二维光谱展开时,这些不同的振动模式就可以被更好地分开来。这样可以用于更好地区分不同的分子,特别是某些结构相似的分子。

   更重要的是,由于二维光谱学是建立在超快激光的技术之上,其很自然地就获得了超高的时间分辨率,可以用来观测飞秒尺度上的光物理光化学过程。飞秒是10-15s。600nm的黄光,其电磁振动周期为2fs,羰基的红外吸收峰(~1667cm-1),大约是20fs。所以飞秒是很“快”的,这也是“超快(ultrafast)”之所以得名。也有人称之为“超短(ultrashort)”,表达的是同一个意思。虽然用起来都超不多,但个人觉得超快激光似有些不是很妥。无论什么频段的电磁波,无论是脉冲还是连续光,在真空中的相速度都是一样的,那就是光速。完全不在该领域里的人怕是会觉得这种技术能超光速什么的。“超短”应该是比较合适的词,但是因为大家都在用“超快激光”这个概念,我还是顺着习惯用法吧。



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2 张鹏举 zdlh

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