飛秒時間分辨瞬態(tài)吸收光譜開創(chuàng)新境界：西交大自研樣機測試服務彰顯實力

在科研探索的征途中，北京卓立漢光儀器有限公司深感榮幸能與西安交通大學電子科學與工程學院司金海教授及閆理賀教授團隊并肩前行。經過他們多年的潛心鉆研，團隊在穩(wěn)定超連續(xù)白光探測光產生、啁啾脈沖壓縮以及微區(qū)弱信號高靈敏度檢測等關鍵領域取得了令人矚目的突破，并成功研發(fā)出飛秒時間分辨瞬態(tài)吸收光譜顯微測量系統，這一成就不僅標志著我國在該領域的技術*先，更為科研界注入了新的活力。為了回饋科研界的支持與厚愛，并助力更多科研工作者深入了解與高效利用這一先進設備，司金海教授與閆理賀教授團隊決定在特定時段內，為校內外用戶提供免費的測樣服務。作為長期以來的友好合作伙伴，卓立漢光深感自豪并全力支持這一舉措。我們誠邀廣大科研工作者把握此次難得的機會，通過西安交通大學大型儀器設備物聯共享系統平臺輕松預約測試，親身體驗這一*端技術的魅力。

我們相信，此次免費測樣服務不僅將為廣大科研者帶來前所*有的研究體驗，更將激發(fā)新的科研靈感，助力科研成果的突破與轉化。

飛秒時間分辨瞬態(tài)吸收光譜顯微測量與成像系統

瞬態(tài)吸收和超快熒光光譜技術已被廣泛應用于光物理和光化學動力學研究，為新材料及其器件設計提供了參考依據。目前瞬態(tài)吸收光譜技術時空分辨率一般在百余飛秒和數微米量級，無法用于觀測特定微區(qū)內或光激發(fā)百飛秒內發(fā)生的載流子動力學過程。為此，課題組提出研制的超高時空分辨白光泵浦-探測瞬態(tài)吸收和超快熒光光譜顯微成像系統，可用于光電功能材料與器件中異質結界面等特定微區(qū)帶隙重整等超快動力學過程研究，具有重要科學意義和應用價值。該研究獲2021年國家自然科學基金重大科研儀器研制項目立項資助。

課題組經過多年潛心研究，在穩(wěn)定超連續(xù)白光探測光的產生、啁啾超連續(xù)白光脈沖壓縮、泵浦光與探測光的極限聚焦匹配的關鍵科學與技術問題研究方面取得突破進展，為儀器的時間-空間分辨率和靈敏度等性能指標的提升提供了保障。目前，瞬態(tài)吸收光譜測量的時間和空間分辨率分別優(yōu)于為30fs和300nm、靈敏度優(yōu)于0.1mOD，各項核心技術指標處于國內外同類儀器的*先水平。

圖1 飛秒時間分辨瞬態(tài)吸收光譜顯微測量系統硬件與測試軟件

高時-空分辨瞬態(tài)吸收光譜測量系統的應用案例

課題組利用高時-空分辨微區(qū)瞬態(tài)吸收光譜測試系統研究了鈣鈦礦單晶薄膜中的光生載流子動力學。將飛秒時間分辨瞬態(tài)吸收與顯微成像技術相結合，成功探測到鈣鈦礦單晶薄膜不同微區(qū)的瞬態(tài)吸收信號。通過對瞬態(tài)吸收光譜進行全局擬合分析，探明了包括熱載流子冷卻、缺陷態(tài)捕獲和載流子復合等超快動力學過程，并揭示了邊界處由濃度較高的缺陷態(tài)引起的激發(fā)態(tài)吸收現象。（Journal of Materials Chemistry C, 11, 3736-3742 (2023). [封面論文]）

圖2 單晶鈣鈦礦薄膜內部區(qū)域的瞬態(tài)吸收光譜

利用高時-空分辨微區(qū)瞬態(tài)吸收光譜測試系統，研究了聚合物太陽能電池（Polymer Solar Cells, PSCs）中引入強偶極矩添加劑(OFIB)對其活性層(PM6:L8BO)的形貌調控、分子堆積以及光電轉換效率的影響及其光物理機制。通過飛秒瞬態(tài)吸收光譜測量探明了OFIB添加劑對活性層中光生激子的擴散及復合行為的超快動力學過程的影響，通過奇異值分解和全局擬合得到體系中主要存在的三個光物理過程：激子產生(EX)，電荷轉移態(tài)（CTS）以及電荷分離態(tài)（CS）。與未使用添加劑調控的活性層相比，OFIB調控的聚合物活性層中的光生激子具有更長的電荷轉移態(tài)壽命，復合幾率減小，有利于激子在給受體界面分離，因此器件光電響應過程中可產生更高的電荷分離態(tài)產率和光電轉換效率。優(yōu)化后的器件表征結果證明，使用OFIB添加劑處理的PSCs實現了18.38%的光電轉換效率，相較于未使用添加劑處理的器件性能顯著提升了17%。（ACS Applied Materials & Interfaces, 14(5), 6945-6957 (2022)；Advanced Functional Materials, 34, 2310312 (2023).）

圖3. 聚合物太陽電池材料PM6:L8BO和PM6:L8BO+OFIB薄膜的超快動力學表征。

結合飛秒時間門選通熒光顯微成像系統，課題組*次觀測了微盤激光的時空演化過程，揭示了器件受激發(fā)射過程中光生載流子對其增益光譜、諧振模式等特性的影響機制，探明了激射超快過程的空間分布規(guī)律，發(fā)現了由于微腔側壁結構缺陷導致的不同位置處激射動力學的差異，進一步提出通過構建2D/3D復合材料體系調控熱載流子弛豫過程壓縮激光線寬的策略。（Laser & Photonics Reviews, 2300533 (2023)；Advanced Optical Materials,12, 2400189 (2024).）

圖4. 鈣鈦礦單晶微腔激射動力學研究

儀器推廣與合作

目前該儀器樣機已在納入西安交通大學大型儀器設備物聯共享系統，校內外用戶可通過平臺預約測試，目前已為校內和十余家校外單位提供測試服務，合作研究成果相繼在Advanced Materials、Angewandte Chemie等頂級期刊發(fā)表高水平學術論文。

圖5 西安交通大學大型儀器設備物聯共享系統

西安交通大學飛秒激光與超快光子技術科研團隊

閆理賀教授來自西安交通大學電子科學與工程學院司金海教授團隊，課題組多年來致力于超快非線性光學與超快光子技術、飛秒激光微納加工技術等方面研究。閆理賀教授主要從事超高時-空分辨瞬態(tài)光譜技術、光電功能材料超快光物理響應機制研究等工作，致力于開發(fā)兼具有高時-空分辨率和高靈敏度的瞬態(tài)吸收光譜測量系統，并探索相關科研儀器在光電功能材料與器件研究中推廣和應用，以第一/通訊作者身份先后在Advanced Functional Materials、Laser & Photonics Reviews、Applied Physics Letters、Optics Letters、Optics Express 等學術期刊發(fā)表SCI論文60余篇。

圖 西安交通大學司金海教授團隊實驗室平臺建設