مقالۀ پژوهشی: بیناب‌سنجی جذب گذرای آب بدون یون توسط تپ‌های لیزر فمتوثانیه تیتانیوم سفایر

حاج اسماعیل بیگی, فرشته; رزاقی, حسین; بستان دوست, افتخارسادات; معتمدی, اسما سادات

doi:10.22051/ijap.2024.48277.1425

مقالۀ پژوهشی: بیناب‌سنجی جذب گذرای آب بدون یون توسط تپ‌های لیزر فمتوثانیه تیتانیوم سفایر

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

¹ استاد، پژوهشکده فوتونیک و فناوری‌های کوانتمی، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، ، تهران، ایران

² دانش‌آموختۀ کارشناسی‌ارشد، پژوهشکده فوتونیک و فناوری‌های کوانتمی، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران، ایران

³ کارشناسی‌ارشد، پژوهشکده فوتونیک و فناوری‌های کوانتمی، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران، ایران

⁴ استادیار، پژوهشکده فوتونیک و فناوری‌های کوانتمی، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، تهران، ایران.

10.22051/ijap.2024.48277.1425

چکیده

بیناب‌سنجی جذبی گذرا امکان مشاهده دینامیک حالت‌های برانگیخته پس از تحریک نوری را در بازه گسترده‌ای از مقیاس‌های زمانی فمتوثانیه تا میلی‌ثانیه فراهم می‌کند. در این مقاله چیدمان اندازه‌گیری بیناب جذب گذرای فوق‌سریع مبتنی بر روش دمش- کاوش با استفاده از تپ‌های فمتوثانیه لیزر تیتانیوم سفایر در طول موج اصلی و هماهنگ دوم آن پیاده‌سازی شده است. بیناب جذب گذرای آب بدون یون به عنوان رایج‌ترین حلال با وضوح زمانی فمتوثانیه در دو حالت تغییرات جذب گذرا در زمان تأخیر ثابت در بازه طول موجی 740 تا 820 نانومتر از تپ کاوش و همچنین طول موج کاوش ثابت در ازای تأخیرهای زمانی مختلف در بازه صفر تا 1/1 پیکوثانیه مورد بررسی قرار گرفته است. به دلیل اختلاف جمعیت ایجاد شده در اثر جذب فوتون‌های دمش یک سیگنال منفی که نشان‌دهنده سفیدشدگی تراز زمینه در طول موج 788 نانومتر است، در بیناب تغییرات جذب گذرا مشاهده می‌شود. همچنین سیگنال منفی ناشی از گسیل القایی در طول موج 798 نانومتر نیز در نوار سفیدشدگی تراز زمینه ادغام شده و نسبت به آن 10 نانومتر جابه‌جایی استوکس دارد. بیناب تحول زمانی تغییرات جذب گذرا قلّه جذبی در زمان تأخیر70 فمتوثانیه بین تپ‌های دمش و کاوش را نشان می‌دهد. این قلّه که ناشی از فرآیند جذب دو فوتونی، یکی از تپ دمش در طول موج 392 نانومتر و دیگری از تپ کاوش با طول موج 784 نانومتر می‌باشد، نشان‌دهنده تراز میانی است. با استفاده از برازش داده‌های واهلش و خوراندن تابع نمایی دوتایی طول عمر این تراز 150 فمتوثانیه به دست می‌آید.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

لیزر

عنوان مقاله [English]

Research Paper: Transient Absorption Spectroscopy of Deionized Water by Ti: sapphire Femtosecond Laser Pulses

نویسندگان [English]

Fereshteh Hajiesmaeilbaigi ¹
Hosein Razzaghi ²
Eftekhar Sadat Bostandoost ³
Asama Sadat Motamedi ⁴

¹ Professor, Photonic & Quantum Technologies Research School, Nuclear Since & Technologies Research Institute, Tehran, Iran

² MSc Graduated, Photonic & Quantum Technologies Research School, Nuclear Since & Technologies Research Institute, Tehran, Iran

³ MSc Graduated, Photonic & Quantum Technologies Research School, Nuclear Since & Technologies Research Institute, Tehran, Iran

⁴ Assistant Professor, Photonic & Quantum Technologies Research School, Nuclear Since & Technologies Research Institute, Tehran, Iran.

چکیده [English]

Transient absorption spectroscopy allows the observation of excited state dynamics following optical excitation across a wide range of time scales, from femtoseconds to milliseconds. This article presents an ultrafast transient absorption spectroscopy setup based on the pump-probe method, utilizing femtosecond pulses from a Ti:sapphire laser at both fundamental and second harmonic wavelengths. We investigated the transient absorption spectrum of deionized water, the most common solvent, with femtosecond time resolution in two modes: one with a fixed delay time for probe wavelengths ranging from 740 to 820 nm, and the other with a fixed probe wavelength for various time delays up to 1.1 picoseconds. The transient absorption spectra reveal a negative signal peaking at 788 nm, attributed to ground state bleaching caused by the depopulation of the ground state induced by the pump. Additionally, a negative signal at 798 nm, resulting from stimulated emission, overlaps with a 10 nm Stokes shift of the ground state bleaching band. The temporal evolution of the transient absorbance spectra shows an absorption peak at a 70 femtosecond delay between the pump and probe pulses, indicating an unstable intermediate level resulting from a two-photon absorption process—one photon from the pump pulse at 392 nm and another from the probe pulse at 784 nm. Fitting a biexponential function to the relaxation data yields a lifetime of approximately 150 femtoseconds for this intermediate leve.

کلیدواژه‌ها [English]

Transient Absorption Spectra
Ti: Sapphire Laser
Femtosecond Deionized Water

مراجع

[1] Krishnamoorthi, A., Khosh Abady, K., Dhankhar, D. and Rentzepis, P.M., "Ultrafast transient absorption spectra and kinetics of rod and cone visual pigments", Molecules, 28(15), 5829-5848, 2023. https://doi.org/10.3390/molecules28155829

[2] Berera, R., van Grondelle, R. and Kennis, J.T., "Ultrafast transient absorption spectroscopy: principles and application to photosynthetic systems", Photosynthesis research 101, 105-118, 2009. https://doi.org/10.1007/s11120-009-9454-y

[3] Wang, Q., Yun, L. and Yang, J., "Ultrafast molecular movies: Probing chemical dynamics with femtosecond electron and X-ray diffraction", CCS Chemistry 6(5), 1092-1109, 2024. https://doi.org/10.31635/ccschem.023.202303425

[4] Li, N., Wang, Q. and Zhang, H.L., "2D Materials in Light: Excited‐State Dynamics and Applications", The Chemical Record 20(5), 413-428, 2020. https://doi.org/10.1002/tcr.201900050

[5] Karaman, C.O., Bykov, A.Y., Kiani, F., Tagliabue, G. and Zayats, A.V., "Ultrafast hot-carrier dynamics in ultrathin monocrystalline gold", Nature Communications 15(1), 703-711, 2024. https://doi.org/10.1038/s41467-024-44769-3

[6] Cooper, J.K., Reyes-Lillo, S.E., Hess, L.H., Jiang, C.M., Neaton, J.B. and Sharp, I.D., "Physical origins of the transient absorption spectra and dynamics in thin-film semiconductors: the case of BiVO4", The Journal of Physical Chemistry C 122(36),20642-20652, 2018. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.8b06645

[7] Norrish, R.G.W. and Porter, G., "Chemical reactions produced by very high light intensities", Nature 164(4172), 658-658, 1949. https://doi.org/10.1038/164658a0

[8] Zewail, A.H., "Femtochemistry: Atomic-scale dynamics of the chemical bond", The Journal of Physical Chemistry A 104(24), 5660-5694, 2000. https://doi.org/10.1021/jp001460h.

[9] Yu, H.Z., Baskin, J.S. and Zewail, A.H., "Ultrafast dynamics of porphyrins in the condensed phase: II. Zinc tetraphenylporphyrin", The Journal of Physical Chemistry A 106(42), 9845-9854, 2002. https://doi.org/10.1021/jp0203999.

[10] Baskin, J.S., Yu, H.Z. and Zewail, A.H., "Ultrafast dynamics of porphyrins in the condensed phase: I. Free base tetraphenylporphyrin", The Journal of Physical Chemistry A 106(42), 9837-9844, 2002. https://doi.org/10.1021/jp020398g

[11] Bloembergen, N., "Nonlinear optics and spectroscopy", Reviews of Modern Physics 54, 685, 1982. https://doi.org/10.1103/RevModPhys.54.685

[12] Schawlow, A.L., "Spectroscopy in a new light", Reviews of Modern Physics 54(3), 697, 1982.

https://doi.org/10.1103/RevModPhys.54.697

[13] Strickland, D. and Mourou, G., "Compression of amplified chirped optical pulses", Optics communications 55(6), 447-449, 1985. https://doi.org/10.1016/0030-4018(85)90120-8

[14] Yu, H.Z., Baskin, J.S., Steiger, B., Wan, C.Z., Anson, F.C. and Zewail, A.H., "Femtosecond dynamics of metalloporphyrins: electron transfer and energy redistribution", Chemical physics letters 293(1-2), 1-8, 1998. https://doi.org/10.1016/S0009-2614(98)00753-2

[15] Zhu, J., Wageh, S., Al-Ghamdi, A.A., "Using the femtosecond technique to study charge transfer dynamics", Chin. J. Catal., 49, 5–7, 2023. 10.1016/S1872-2067(23)64436-5

[16] Zhang, Q. and Luo, Y., "Probing the ultrafast dynamics in nanomaterial complex systems by femtosecond transient absorption spectroscopy", High Power Laser Science and Engineering 4, e22, 2016. https://doi.org/10.1017/hpl.2016.23

[17] Elles, C.G., Shkrob, I.A., Crowell, R.A. and Bradforth, S.E., "Excited state dynamics of liquid water: Insight from the dissociation reaction following two-photon excitation", The Journal of chemical physics 126(16), 2007. 10.1063/1.2727468

[18] Steinel, T., Asbury, J.B., Zheng, J. and Fayer, M.D., "Watching hydrogen bonds break: A transient absorption study of water", The Journal of Physical Chemistry A 108(50), 10957-10964, 2004. https://doi.org/10.1021/jp046711r.

[19] Savchenko, V., Liu, J.C., Odelius, M., Ignatova, N., Gel'mukhanov, F., Polyutov, S. and Kimberg, V., "Photodissociation of water induced by a long UV pulse and probed by high-energy-resolution x-ray-absorption spectroscopy", Physical Review A 104(3), 032816, 2021. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.104.032816.

[20] Saleh, B.E. and Teich, M.C., Fundamentals of photonics. john Wiley & sons, 2019.

[21] Ha-Thi, M.H., Burdzinski, G., Pino, T. and Changenet, P., "Transient Absorption Spectroscopy in Inorganic Systems", In Springer Handbook of Inorganic Photochemistry, pp. 107-130. Cham: Springer International Publishing, 2022. 10.1007/978-3-030-63713-2_5

[22] Cerullo, G., Manzoni, C., Lüer, L. and Polli, D., "Time-resolved methods in biophysics. 4. Broadband pump—probe spectroscopy system with sub-20 fs temporal resolution for the study of energy transfer processes in photosynthesis", Photochemical & Photobiological Sciences 6, 135-144, 2007. https://doi.org/10.1039/B606949E

[23] Othonos, A., "Probing ultrafast carrier and phonon dynamics in semiconductors", Journal of applied physics 83(4), 1789-1830, 1998. https://doi.org/10.1063/1.367411

[24] Pasanen, H.P., Khan, R., Odutola, J.A. and Tkachenko, N.V., "Transient Absorption Spectroscopy of Films: Impact of Refractive Index", The Journal of Physical Chemistry C 128(15), 6167-6179, 2024. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.4c00981

[25] Knowles, K.E., Koch, M.D. and Shelton, J.L., "Three applications of ultrafast transient absorption spectroscopy of semiconductor thin films: spectroelectrochemistry, microscopy, and identification of thermal contributions", Journal of Materials Chemistry C 6(44), 11853-11867, 2018. https://doi.org/10.1039/C8TC02977F

[26] Hajiesmaeilbaigi, F. and Azima, A., "Ultrashort-pulse generation by self-mode-locked Ti: sapphire lasers without apertures and with low pumping powers", Canadian journal of physics 76(6), 495-499, 1998. https://doi.org/10.1139/p98-024

[27] Hajiesmaeilbaigi, F., Bostandoost, E.S., Motamedi, A.S. and Razzaghi, H., "Amplification of Ti: sapphire femtosecond laser pulses by Z-scheme Regenerative Amplifier", Journal of Nuclear Science, Engineering and Technology (JONSAT) 44(1), 144-150, 2023. https://doi.org/10.24200/nst.2023.1327