时间分辨光谱基础

　　时间分辨光谱是在传统光谱学的基础上结合光脉冲技术和微弱、瞬变光信号检测方法而发展起来的一个新兴学术领域。它通过实时监测分子体系的电子吸收、荧光发射以及拉曼散射等光谱学现象，跟踪分子在某些物理、化学过程或呈现特定的生命功能瞬间的构型变换、激发能弛豫、分子间的能量传递和电子转移等基元步骤运动变化过程的化学动态学微观机理，在原子水平上对分子运动变化过程的微观图景给出直观描述，使人们能够在客观、准确的事实基础上，揭示物质分子的一些物理、化学行为以及生命现象奥秘，为巧妙、有效地控制某些令人感兴趣的分子过程提供重要科学启示，并为研究发展新型功能材料、光电子分子器件（molecular optoelectronic devices）以及生物工程提供可靠的事实依据。《时间分辨光谱基础》是集作者郭础科研实践经验、结合在纽约市立大学研究生院授课讲稿的基础上写成的，在系统综述化学动态学微观过程、激光脉冲技术、微弱和瞬变光信号检测及数据处理方法的同时，分别介绍几种主要的时间分辨光谱测量及其典型应用实例，其中包括在分子水平上探讨光合作用原初过程微观机理。《时间分辨光谱基础》适合作为物理化学、化学物理专业本科生和研究生教材，也适合作为功能材料、分子器件以及生物工程等新兴交叉学科研究人员的参考读物。

　　郭础，先后就读于北京大学、清华大学、北京石油学院（现中国石油大学）。公派赴莫斯科大学化学系化学动力学专业学习并获副博士学位。回国后，在中国科学院化学物理研究所、中国科学院化学研究所和北京理工大学历任副、正研究员。1986年应邀赴英国皇家学会戴维一法拉第实验室任短期访问教授。1990年起，应聘任纽约市立大学研究生院客座教授、结构和界面分析中心高级研究员。入选纽约科学院会员和Sigma—Xi科学研究会会员。

第1章 时间分辨光谱概述
1.1 时间分辨光谱的基本原理
1.2 时间分辨光谱发展的简要回顾
第2章 分子运动变化的微观动态学过程
2.1 分子的状态描述及其能量计算方法
2.2 分子在不同状态间的跃迁概率
2.3 分子在不同量子状态间的辐射跃迁——爱因斯坦辐射跃迁概率和Franck-Condon原理
2.4 分子在不同量子状态间的无辐射跃迁
2.5 激发能传递
2.5.1 共振传能机理
2.5.2 非弹性碰撞传能和激子能量传递
2.6 电子转移
2.6.1 电子转移速率的经典理论描述
2.6.2 电子转移速率的量子理论描述
2.7 分子转动扩散
2.8 激发态分子过程动力学
2.8.1 不同波形脉冲激发的简单激发态分子过程的动力学规律
2.8.2 6脉冲激发的复杂激发态分子过程的衰变动力学规律
附录2.1 相互可逆转换的激发态分子衰变过程的动力学方程
第3章 光脉冲技术的基本知识
3.1 脉冲放电闪光灯
3.2 脉冲激光器
3.2.1 固体激光器
3.2.2 气体激光器
3.2.3 半导体激光器
3.2.4 有机液体染料激光器
3.3 光束传输参数变换
3.3.1 光束空间传播方向变换——折射、聚焦和准直
3.3.2 光束偏振特性的选择和控制
3.3.3 光束的波长选择
3.3.4 光束传播的时间选通
3.4 激光器的Q调制和锁模
3.4.1 激光器的O调制
3.4.2 激光器的锁模
3.5 单一激光脉冲“选取”
3.6 激光脉冲的光谱频率调制
3.6.1 光学混频
3.6.2 谐波产生
3.6.3 光参量振荡
3.6.4 受激拉曼散射
3.7 激光脉冲的能量放大
3.7.1 激光脉冲振辐变换过程分析
3.7.2 激光脉冲能量放大系统的原理结构设计
3.7.3 激光脉冲能量放大方法中的几个技术考虑
3.8 激光脉沖的时间特性调制——脉冲宽度“压缩”
第4章 微弱、瞬变光谱信号探测及数据处理
4.1 光信号探测器的基本特性参数及噪声
4.1.1 光信号探测器的基本特性参数
4.1.2 光信号探测器的噪声
4.2 光电探测器的类型
4.2.1 光电倍增管
4.2.2 光二极管及列阵式光探测器
4.2.3 条纹摄像管
4.3 信号再生技术
4.3.1 锁相放大
4.3.2 信号平均
4.3.3 光子计数
4.4 微弱、瞬变超短脉冲信号的非线性光学方法测量
4.4.1 激光超短脉冲宽度测量
4.4.2 快速分子过程的高时间分辨跟踪监测
4.5 脉冲光信号测量结果的数据处理
4.5.1 基本考虑
4.5.2 实验测量结果修正
4.5.3 解卷积处理的数学方法
4.5.4 实验数据处理中的几个实际问题
第5章 时间分辨吸收光谱方法
5.1 分子吸收光谱的特征参数
5.1.1 分子吸收光谱的频率特性
5.1.2 分子吸收光谱的强度
5.1.3 环境对电子吸收光谱的影响
5.1.4 吸收光谱实验测量中的几点技术考虑
5.2 时间分辨吸收光谱方法的原型——闪光光解
5.2.1 通用设备单元及相关的技术考虑
5.2.2 动力学光度测量技术
5.2.3 闪光光谱测量技术
5.2.4 应用示例
5.3 激光闪光光解一激发一探测双脉冲时间分辨吸收光谱方法
5.3.1 样品选择激发用的光脉冲
5.3.2 瞬态吸收探测用的激光脉冲
5.3.3 激发和探测光脉冲间的时间同步和相对时间延迟
5.3.4 激发和探测光路设计
5.3.5 瞬态吸收的时间分辨吸收光谱的信号检测
5.3.6 典型的激发一探测双脉冲时间分辨吸收测量系统
5.4 ns激发-探测双脉冲时间分辨吸收光谱的典型应用实例——醌类分子的电子激发三重态行为
5.5 ps、fs激发-探测双脉冲时间分辨吸收光谱的典型应用
5.5.1 激发态分子在不同电子状态间的内转换——Sn→Sn-1、Tn→Tn-1、系间蹿跃等无辐射跃迁过程
5.5.2 分子空间取向弛豫
5.5.3 分子內和分子间的电子转移
附录5.1 一些常用有机溶剂的性质参数
第6章 时间分辨荧光光谱方法
6.1 分子荧光光谱的几个基本特性参数
6.1.1 分子荧光的频率特性
6.1.2 分子荧光的偏振特性
6.1.3 分子荧光的时间特性及荧光量子产率
6.1.4 分子荧光的猝灭现象——Stern-Volmer方程
6.2 荧光强度测量的影响因素修正
6.2.1 自吸收效应
6.2.2 几何光学因素考虑
6.2.3 光栅效应修正
6.3 分子荧光过程的实时监测
6.3.1 条纹摄像技术用于荧光过程的实时测量的几个基本枝术考虑
6.3.2 典型的条纹摄像测量实验装置
6.4 荧光衰变过程的脉冲取样测量
6.4.1 电子学取样测量
6.4.2 光学取样测量
6.5 荧光过程的时间相关单光子计数测量
6.5.1 基本原理
6.5.2 测量方法
6.5.3 方法特点
6.5.4 测量系统和设备单元
6.5.5 几点具体的实验技术考虑
6.6 荧光衰变过程的相位调制测量方法
6.7 荧光衰变过程测量及荧光发射光谱谱图应用
6.7.1 荧光强度衰变测量及典型应用
6.7.2 时间分辨荧光发射光谱谱图测量及典型应用
6.8 荧光各向异性弛豫及应用
6.8.1 一般理论描述
6.8.2 影响荧光各向异性弛豫过程动力学规律的一些因素
6.8.3 荧光各向异性弛豫过程的测量方法及一些技术考虑
6.8.4 荧光各向异性弛豫过程测量方法的一些应用实例
第7章 时间分辨拉曼光谱方法
7.1 拉曼散射的产生原理及特性——经典理论描述
7.1.1 拉曼散射的产生原理
7.1.2 拉曼散射的光强度及偏振特性
7.2 拉曼散射和分子振动的量子理论分析
7.2.1 拉曼散射现象的量子理论描述
7.2.2 拉曼散射的频率特性——非简谐振动和费米共振现象
7.2.3 拉曼散射的强度特性——共振增强效应
7.3 简正振动频率计算
7.3.1 分子振动的经典理论描述——简正振动模式
7.3.2 多原子分子振动的内坐标和对称坐标表述
7.3.3 分子振动频率的定量计算示例
7.3.4 多原子分子振动的简正坐标分析方法概述
7.3.5 简正坐标分析用的各种力场
7.4 拉曼散射频率和分子结构关联——光谱谱带归属
7.5 拉曼散射光谱测量的基本实验设备
7.5.1 激发光源
7.5.2 拉曼散射样品激发及散射光信号采集
7.5.3 分光用的色散单元
7.5.4 拉曼散射的样品处理
7.5.5 拉曼散射信号的检测
7.5.6 拉曼散射信号的频率和强度标定
7.6 时间分辨拉曼散射光谱测量中的技术考虑及典型的实验系统设计
7.6.1 拉曼散射信号增强
7.6.2 荧光背景抑制
7.7 时间分辨拉曼散射光谱应用的典型事例
附录7.1 拉曼散射光谱谱带的基团频率
附录7.2 四苯基卟啉拉曼振动模
附录7.3 光谱信号的傅里叶变换检测
第8章 时间分辨光谱应用的新课题
8.1 人们对光合作用过程已知道了些什么
8.2 时间分辨光谱研究告诉了人们些什么
8.3 令人感兴趣的一个时间分辨光谱研究课题