[论文解读] Background-free quasi-steady-state photoinduced absorption spectroscopy by dual optical modulation

Houssem Kallel, Gianluca Latini+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 18, 2010

Photochemistry and Electron Transfer Studies参考文献 12被引用 5

一句话总结

本文提出一种低成本的双光调制方案，通过测量泵浦与探测光调制的和频信号，实现了无背景的准稳态光致吸收光谱测量。该方法消除了寄生荧光和激光散射，从而能够清晰检测微弱的光致吸收信号——在10 K下成功分辨出高度荧光的F8BT聚合物中的三线态激子吸收，检测限达∼1×10⁻⁶的分数透射率变化。

ABSTRACT

We present a simple and inexpensive means to measure background-free photoinduced absorption spectra by implementing a dual optical modulation scheme. Our objective is to measure quasi-steady-state absorption spectra of long-lived photoexcitations, such as polarons and triplet excitons in organic semiconductors, when the photoluminescence of the sample is strong compared to the photoinduced absorption signal. In our instrument, we modulate a continuous-wave laser at a frequency $f_{pu}$ with a mechanical chopper before exciting the material. We measure the fractional change of transmission of the sample with a tuneable monochromatic probe source modulated at a frequency $f_{pr}$, and with a digital lockin amplifier at a reference frequency $f_{ref} = f_{pu} + f_{pr}$. We generate the reference sinusoidal wave for the lockin amplifier using a simple home-built electronic circuit that generates their sum-frequency signal. This scheme allows measurement of the fractional change of transmittance of the sample induced by the pump laser at a frequency $f_{pu} + f_{pr}$ without parasitic signal at a frequency $f_{pu}$, such as photoluminescence of the sample or pump-laser scatter. We demonstrate the power of this approach by measuring cleanly the photoinduced absorption spectrum of a highly luminescent semiconductor polymer, poly(9,9-dioctylfluorene-co-benzothiadiazole), at 10\,K. We compare this measurement favourably with that obtained by simple modulation of the pump laser after subtraction of the dominant photoluminescence background.

研究动机与目标

• 解决强荧光掩盖有机半导体中微弱光致吸收信号的挑战。
• 开发一种简单、低成本的方法，用于测量高荧光量子产率材料中无背景的光致吸收光谱。
• 实现在准稳态条件下对长寿命光激发态（如极化子和三线态激子）的高信噪比检测。
• 在低温下对高度荧光的半导体聚合物F8BT展示该技术的有效性。
• 为传统单调制方法提供一种稳健的替代方案，后者依赖信号减法且易受噪声放大影响。

提出的方法

• 连续波泵浦激光通过机械斩波器在频率$f_{pu}$下进行调制。
• 可调谐单色探测光束在独立于泵浦调制的特定频率$f_{pr}$下进行调制。
• 数字锁相放大器检测和频信号$f_{ref} = f_{pu} + f_{pr}$，该信号不受直接荧光和散射贡献的影响。
• 自制电子电路从两个斩波器控制器的TTL同步脉冲生成和频参考信号。
• 在$f_{pu} + f_{pr}$频率下测量透射率的分数变化$\Delta T/T$，对应于光致吸收信号。
• 同时在$f_{pr}$频率下测量可独立获取基态吸收光谱。

实验结果

研究问题

• RQ1 双调制方案能否在高度荧光材料的光致吸收光谱中消除荧光背景？
• RQ2 是否可能在不依赖信号减法的情况下实现对微弱光致吸收信号的高灵敏度检测？
• RQ3 使用这种无背景方法可检测到的最小透射率分数变化是多少？
• RQ4 该方法与传统采用背景减法的单调制技术相比性能如何？
• RQ5 该装置是否也可适用于光反射率光谱学以及光致吸收光谱？

主要发现

• 双调制方案成功消除了荧光和激光散射，即使在荧光背景强度是目标信号50倍的情况下，仍能实现对10 K下F8BT中光致吸收的清晰测量。
• 在10 K下测得的光致吸收光谱与室温下先前报道的光谱一致，证实了该方法的准确性和可靠性。
• 该装置的检测限为$\sim 1 \times 10^{-6}$的透射率分数变化，目前受限于探测光源的温度稳定性和探测器散粒噪声。
• 若电流稳定性进一步提升，检测灵敏度有望提高至$\sim 1 \times 10^{-7}$的$\Delta T/T$。
• 该方法避免了背景减法固有的噪声放大和伪影问题，例如在减法处理的单调制光谱中于752 nm处观察到的负峰特征。
• 该系统同样适用于光反射率光谱学，拓展了其在其他准稳态光学探测中的应用范围。