一般分子原子中發生的大多數物理效應，如原子核的運動、化學鍵的扭轉等均發生在飛秒到皮秒時間范圍內，電荷分離和轉移、能量傳遞等發生在飛秒到納秒范圍，而發光材料的熒光壽命一般均在納秒量級。另外，光激發可以產...
一般分子原子中發生的大多數物理效應，如原子核的運動、化學鍵的扭轉等均發生在飛秒到皮秒時間范圍內，電荷分離和轉移、能量傳遞等發生在飛秒到納秒范圍，而發光材料的熒光壽命一般均在納秒量級。另外，光激發可以產生豐富的瞬態產物，如激發態分子、中性自由基、正或負離子型自由基等，而穩態測試方法只能反映整個過程的一個積分效應，卻不能體現過程是如何隨時間變化的，因此時間分辨就成為了更深入認識分子本身性質的重要參數。目前常用的超快光譜系統主要有兩種：飛秒時間分辨熒光系統和飛秒泵浦探測系統。
一、飛秒時間分辨熒光(熒光上轉換)系統：
可以用于探測發光態熒光隨時間衰減的過程，可以探測亞飛秒到納秒尺度的時間分辨熒光動力學，這取決于激光脈沖寬度及延時線的長度和精度。一般該系統的時間分辨率可達到幾十到幾百飛秒，其技術原理如圖1所示。
圖1 熒光上轉換原理
熒光上轉換光路將1030nm飛秒激光輸出脈沖經分束片分成兩路光，其中一束用來激發樣品產生超快熒光(fluor)，假設樣品熒光需要515nm波長激發，可以通過BBO倍頻晶體產生，而其他激發波長(200nm-16μm)可以通過光學參量放大器(OPA)得到。激發光的偏振方向可以通過偏振片調節，之后再經透鏡聚焦到樣品上產生熒光；而能量較弱的另一束作為門控光，經過可調延時線后到達和頻晶體，將前述的被激發熒光通過反射鏡收集，收集到的熒光和門控光重新在和頻晶體上實現空間和時間重合，最后對產生的和頻信號進行收集和探測即可還原超快熒光的光譜和壽命。其常用實驗光路如圖2所示。
圖2 熒光上轉換光路
二、飛秒泵浦探測(pump-probe)系統，通常也稱為飛秒瞬態吸收(transient absorption)技術，可以通過吸收譜探測非發光樣品激發態的豐富信息，常見的時間分辨瞬態吸收實驗系統如圖3所示。
圖3 時間分辨瞬態吸收實驗系統
其中一束光作為泵浦光來激發樣品，將一定比例的樣品激發到高電子激發態，在不同的實驗中，這個比例一般為0．1%到百分之幾十。在一定的延時t后，一束較弱的探測光(可避免產生多光子效應)通過樣品被激發的區域，計算泵浦光存在與不存在條件（pump/un-pump）下的透過光譜差ΔT，通過改變泵浦光與探測光之間的延時，可得到ΔT隨時間和波長變化的函數。通過這種方式能得到不同能態上粒子數分布隨時間的變化過程。
應用實例：
一、光電材料研發：
利用時間分辨光譜技術探索材料或分子的激發態的性質和動力學過程。比如鈣鈦礦太陽能電池的研發，讓處于激發態的電子和空穴可以發生輻射復合，體相遷移和界面電荷分離，能量轉移等過程，同時處于激發態的電子空穴也可能發生缺陷捕獲、俄歇復合，電荷界面復合這些能量損失耗散過程；超快光譜技術可以為光電材料的設計、制備和高效利用提供基礎理論支持，最終推動材料設計和性能的提高。如圖4所示。
圖4 太陽能電池轉化原理
二、分析熒光淬滅動力學
熒光淬滅有動態淬滅和靜態淬滅兩種，穩態的熒光強度都顯示出熒光強度的衰減，無法分辨，而動態淬滅至少分裂為2個熒光壽命，意味著能量轉移的發生，而靜態淬滅只是淬滅劑與熒光物結合生成非熒光物質，熒光壽命并不發生變化。熒光淬滅多用于分析大分子或膠體的結構或構象，用淬滅的方法研究熒光基團在分子內還是分子表面。如圖5所示。
圖5 熒光淬滅實驗
三、超快電子顯微鏡
電子顯微技術是一種利用高分辨率和放大倍率的電子顯微鏡(SEM)對材料進行特征分析如形貌觀察、能量色散X射線分析等分析的技術。電子顯微技術在計量分析測定、立體觀察、圖像分析、電子工業、缺陷探測等領域都有著廣泛的應用。其結合超快技術發展出了超快電鏡技術及超快瞬態反射顯微鏡技術。如圖6、7、8所示。
圖6 超快電鏡原理圖
圖7 超快瞬態反射顯微鏡
圖8 單層WSe2-MoS2二維材料異質結構
飛秒時間分辨熒光系統的優點是能夠探測純粹的熒光動力學，不受任何其他信號的干擾，缺點是只能探測發光態，而不能探測非發光態。泵浦探測系統的優點是不但能探測發光態信息，還能夠探測非發光態、暗態、光反應瞬態產物和長壽命產物以及基態的信息，因此其探測信息非常豐富，缺點是這些信息在光譜上常有很大程度的重疊，因此很難得到某個純態的信息?？梢钥闯觯绻軌蚓C合使用兩個系統，結合兩者的優點，也會得到更全面準確的信息。
近幾年來，隨著固體超快激光器和高速探測器的發展，超快光譜技術得到了飛速的發展，同時也加快了與其他技術的結合，促進了學科交叉融合。目前，較為常見的結合技術有與電子衍射、原子力顯微鏡（AFM）、近場光學掃描顯微鏡（SNOM）、微波技術、角分辨光電子能譜、掃描隧道顯微鏡（STM）、電子光束成像等技術的結合。這些融合技術帶來了最新的研究結果，拓展了超快光譜技術的應用領域。同時，這些融合技術往往也是其他單一實驗技術所無法替代的。
