Өте қысқа импульстік лазерлік спектроскопия

Ұльтражылдам лазерлік спектроскопия: аттосекундтан наносекундқа дейінгі динамиканы зерттеу. Заряд тасымалдаушылар, атомдар, молекулалар талданады. Лазерлік әдістер.

13 мин оқу

100%

Дереккөз: Ultrafast laser spectroscopy — Wikipedia

Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.

Мазмұны

Кіріспе

Өте қысқа импульсті лазерлермен спектроскопия

Ультражылдам лазерлік спектроскопия – бұл өте қысқа уақыт өлшемдерінде (аттосекундтардан наносекундтарға дейін) динамиканы зерттеу үшін ультрақысқа импульсті лазерлерді қолданатын спектроскопиялық техникалардың бір санаты. Заряд тасымалдаушылардың, атомдардың және молекулалардың динамикасын зерттеу үшін әртүрлі әдістер пайдаланылады. Әртүрлі уақыт өлшемдері мен фотон энергиясы диапазондары үшін көптеген әртүрлі процедуралар жасалған; ең көп қолданылатын әдістер төменде тізілген.

Аттосекундтық-пикосекундтық спектроскопия

Фемтосекундтық уақыт өлшеміндегі динамика көбінесе электрондық түрде өлшеуге тым жылдам болады. Көптеген өлшемдер процесті іске қосу және оның динамикасын тіркеу үшін ультрақысқа жарық импульстарының тізбегін пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Жарық импульстарының уақытша ені (ұзақтығы) өлшенетін динамиканың уақыт өлшемімен сәйкес келуі керек, тіпті одан да қысқа болуы мүмкін.

Титан-сапфир лазері

Ti сапфир лазерлері – қызыл және жақын инфрақызыл жарық (700 нм – 1100 нм) шығаратын реттелетін лазерлер. Ti-сапфир лазерлік осцилляторлар ти-допталған сапфир кристалдарын күшейту ортасы ретінде пайдаланады және субпикосекундтық жарық импульстарын алу үшін Керр линзасының режимді құлыптауын қолданады. Типикалық Ti:сапфир осциллятор импульстары nJ энергияға және 70-100 МГц қайталану жиілігіне ие. Жоғары импульстық энергияны алу үшін регенеративті күшейткіш арқылы импульстік күшейту қолданылуы мүмкін. Күшейту үшін Ti:сапфир осцилляторынан шыққан лазерлік импульстарды алдымен оптикалық элементтердің зақымдануын болдырмау үшін уақыт бойынша созу қажет, содан кейін импульстар төмен қайталану жиілігінде басқа лазердің резонаторына жіберіліп күшейтіледі. Регенеративті күшейткіш импульстарды көп өтетін күшейткіште одан әрі күшейте алады. Күшейткеннен кейін импульстар бастапқы импульстардың еніне ұқсас енге қайтадан қысылады.

Лазерлік бояу

Түсті лазер – органикалық бояуды күшейткіш орта ретінде пайдаланатын төрт деңгейлі лазер. Белгілі бір толқын ұзындығымен сорғыланатын және қолданылатын бояу түрлеріне байланысты, әртүрлі түсті лазерлер әртүрлі толқын ұзындығындағы сәулелер шығарады. Түсті лазер жүйесінде көбінесе сақина тәрізді лазерлік конструкция қолданылады. Сонымен қатар, дифракциялық тор немесе призма сияқты түзету элементтері әдетте резонаторға енгізіледі. Бұл резонаторда өте тар жиілік диапазонындағы жарық ғана резонансқа түсуіне және лазерлік сәуле ретінде шығуына мүмкіндік береді. Түсті лазердің кең ауқымды реттелу мүмкіндігі, жоғары шығыс қуаты және импульстік немесе үздік жұмыс режимі оны көптеген физикалық және химиялық зерттеулерде ерекше пайдалы етеді.

Қиынды лазер

Талшықты лазер әдетте алдымен лазерлік диодтан жасалады. Лазерлік диод содан кейін жарықты талшыққа жіберіп, оны ішінде ұстайды. Допингтелген талшықты пайдалану арқылы әртүрлі толқын ұзындықтарына қол жеткізуге болады. Лазерлік диодтан шыққан сорғы жарығы допингтелген талшықтағы белгілі бір күйді қоздырады, ол энергия деңгейін төмендетіп, нақты толқын ұзындығын шығарады. Бұл толқын ұзындығы сорғы жарығынан өзгеше болуы мүмкін және нақты тәжірибе үшін тиімдірек болуы мүмкін.

Рентген сәулелерін шығару

Өте жылдам оптикалық импульстерді рентген импульстерін алу үшін әртүрлі тәсілдерде қолдануға болады. Оптикалық импульс фотоэлектрлік эффект арқылы электрондық импульсты қозады, ал жоғары потенциал арқылы үдету электрондарға кинетикалық энергия береді. Электрондар нысанаға соққанда, олар ерекше рентген сәулелерін және тосқауылдық сәулеленуді тудырады. Екінші әдіс – лазерлік плазма арқылы. Өте жоғары қарқынды лазер сәулесі нысанаға түскенде, ол электронды жұлып алып, теріс зарядталған плазма бұлтын жасайды. Бұл бұлттың ортасындағы иондалған материалдың күшті Кулон күші электрондарды қалған ядроларға жылдам қайтарады. Ядролармен соқтығысқанда, тосқауылдық сәулелену және ерекше рентген сәулелері шығарылады. Рентген сәулелерін жасаудың бұл әдісі фотондарды барлық бағытта шашыратады, сонымен қатар пикосекундтық рентген импульстерін де тудырады.

Импульсті сипаттау

Дұрыс спектроскопиялық өлшеулер жасау үшін лазерлік импульстің бірнеше қасиеттерін білу қажет; импульстің ұзақтығы, импульстің энергиясы, спектрлік фаза және спектрлік пішін – осылардың кейбірі. Импульстің ұзақтығы туралы мәліметтерді автокорреляциялық өлшеулер арқылы немесе жақсы сипатталған басқа импульспен өзара корреляция арқылы анықтауға болады. Импульстерді толыққанды сипаттауға мүмкіндік беретін әдістерге жиілікті ажырату оптикалық қақпасы (FROG) және тікелей электр өрісін қалпына келтіруге арналған спектрлік фазалық интерферометрия (SPIDER) жатады.

Импульсті қалыптастыру

Импульстік пішіндеу – импульстардың амплитудасын, фазасын және ұзақтығын өзгертуді қамти отырып, бастау көзінен келетін импульстарды белгілі бір тәртіппен өзгерту. Импульстің қарқындылығын арттыру үшін, көбінесе, импульстік күшейту қолданылады, ол импульсті созу құрылғысы, күшейткіш және қысқыштан тұрады. Күшейту кезінде импульстің ұзақтығы мен фазасы өзгермейді. Импульсті қысу (импульстің ұзақтығын қысқарту) сызықтық емес материалда импульстің жиілігін өзгерту арқылы және спектрді кеңейту арқылы жүзеге асырылады, содан кейін жиілік өтемалдау үшін қысқыш қолданылады. Мұндай жағдайларда көбінесе талшықтық қысқыш пайдаланылады. Импульстік пішіндеу құралдары лазер сәулесіне Фурье түрлендіруін қолданатын оптикалық модуляторларды білдіреді. Жарықтың қандай қасиеттері басқарылатынына қарай, модуляторлар қарқындылық модуляторлары, фазалық модуляторлар, поляризациялық модуляторлар, кеңістіктік модуляторлар деп аталады. Модуляция механизміне қарай оптикалық модуляторлар акустикалық-оптикалық модуляторларға, электрооптикалық модуляторларға, сұйық кристалды модуляторларға және т.б. бөлінеді. Әрқайсысы әртүрлі қолдану салаларына арналған.

Жоғары гармониялық генерация

Жоғары гармоникалық генерация (HHG) – электрондардың иондануы мен қайта қосылуы арқылы қарқынды лазерлік сәулеленуді бір белгілі жиіліктен сол жиіліктің жоғары гармоникаларына түрлендіретін сызықтық емес процесс. Оны алғаш рет 1987 жылы Макферсон және әріптестері байқаған, 248 нм толқын ұзындығында неон газында 17-ші ретке дейінгі гармоникалық сәуле шығаруға қол жеткізген. HHG өте жылдам, жоғары интенсивті, инфрақызылға жақын импульсті 10¹³–10¹⁴ Вт/см² интенсивтілігімен инертті газға шоғырландыру арқылы көрінеді және спектрдің XUV-ден жұмсақ X-сәулесіне (100–1 нм) дейінгі аймағында когерентті импульстарды жасайды. Бұл үлкен еркін электронды лазерлерге қарағанда зертханалық деңгейде (үстел үстіндегі жүйелер) іске асырылуы мүмкін. Атомдардағы жоғары гармоникалық генерация үш қадамдық модель (иондану, таралу және рекомбинация) тұрғысынан жақсы түсіндіріледі. Иондану: Қарқынды лазерлік өріс атомның Кулондық потенциалын өзгертеді, электрон тосқауылдан өтіп иондалады. Таралу: Бос электрон лазерлік өрісте үдеп, импульс алады. Рекомбинация: Өріс бағытын өзгерткенде электрон иондық ядроға кері үдеп, өте жоғары энергиялы фотонды босатады.

Жиілікті түрлендіру әдістері

Әр түрлі спектроскопиялық тәжірибелер әртүрлі қозу немесе зондталған толқын ұзындықтарын қажет етеді. Осы себепті, қолданыстағы лазерлік жарық көздерінің жұмыс спектрін кеңейту үшін жиілікті түрлендіру техникалары кеңінен қолданылады. Ең көп таралған түрлендіру техникалары екінші реттік емес сызықтылыққа ие кристалдарды пайдаланып, параметрлік күшейту немесе жиілік араластыруды жүзеге асыруға негізделген. Жиілік араластыру бірдей немесе әртүрлі толқын ұзындығы бар екі сәулені біріктіру арқылы жоғары гармоникалық немесе бастапқы екеуінің қосынды жиілігін тудыратын сигналды жасайды. Параметрлік күшейтуде әлсіз зондталған сәуле, жоғары энергиялы сорғы сәулемен сызықтық емес кристалдың ішінде келісіп орналасады, нәтижесінде әлсіз сәуле күшейтіліп, қалған энергия жаңа сәуле ретінде – "бос жүрісші" (idler) түрінде шығарылады. Бұл тәсіл кіріс импульстарынан қысқа шығыс импульстарын жасау мүмкіндігін береді. Осы тәсілдің әртүрлі схемалары іске асырылған. Мысалдарға оптикалық параметрлік осциллятор (OPO), оптикалық параметрлік күшейткіш (OPA) және коллинейрлік емес параметрлік күшейткіш (NOPA) жатады.

Өте жылдам уақытша сіңіру

Бұл әдіс "соқпа-зонд" эксперименттеріне тән, онда импульсті лазер материалдағы (мысалы, молекула немесе жартылай өткізгіш қатты денедегі) электрондарды негізгі күйлерінен жоғары энергиялы қозу күйлеріне ауыстыру үшін қолданылады. Зерттеуші жарық көзі, әдетте ксенон доғалы шам немесе суперконтинуумды өндіру арқылы жасалған кең жолақты лазерлік импульс, қозудан кейінгі әртүрлі уақыттарда қосылыстың сіңіру спектрін алу үшін пайдаланылады. Қозуға ұшыраған молекулалар зонд жарығын сіңіре отырып, одан әрі жоғары күйлерге ауыстырылады немесе стимулданған эмиссия арқылы сәулелену арқылы негізгі күйге қайта оралуға итермеленеді. Үлгі арқылы өткеннен кейін сіңірілмеген зонд жарығы лавиналық фотодиодтар массиві немесе CMOS камерасы сияқты фотодетекторға жетеді және деректер қозу күйінің сіңіру спектрін жасау үшін өңделеді. Үлгідегі барлық молекулалар немесе қозу орындары бір мезгілде бірдей динамикаға ұшырамайтындықтан, бұл эксперимент көп рет жүргізілуі керек (әр "эксперимент" бір соқпа және зонд лазерлік импульсінің өзара әрекеттесуінен туындайды), ал деректер дәл қарқындылығы мен максимумдары бар спектрлерді жасау үшін орташалануы керек. Фотоағарту және басқа фотохимиялық немесе фототермиялық реакциялар үлгілерде болуы мүмкін болғандықтан, бұл әдіс осы әсерлерді бірдей үлгіде бірдей орналасқан жерде әртүрлі соқпа және зонд қарқындылықтарында көп рет өлшеу арқылы бағалауды талап етеді. Көп жағдайда сұйық үлгілер өлшеу кезінде араластырылады, бұл ағын және диффузияға байланысты салыстырмалы түрде ұзақ уақыт кинетикасын өлшеуді қиындатады. Уақытпен сәйкес келетін жалғыз фотон санауынан (TCSPC) айырмашылығы, бұл әдіс флуоресцентті емес үлгілерде де жүзеге асырылуы мүмкін. Сондай-ақ, оны рефлексиялық геометриядағы өткізбейтін үлгілерде де жасауға болады. Өте жылдам өткінші сіңіру кез келген зонд жарығын пайдалана алады, егер зондтың толқын ұзындығы немесе толқын ұзындығы жиынтығы тиісті болса. Аваланшалық фотодиодтар массиві орнына монохроматор және фотомультипликатор түтігі бір ғана зонд толқын ұзындығын бақылауға мүмкіндік береді, осылайша қозуға ұшыраған түрлердің ыдырау кинетикасын зерттеуге мүмкіндік береді. Бұл орнатудың мақсаты - радиациялық емес түрлердің кинетикалық өлшеулерін жүргізу, әсіресе, қысқа өмір сүретін және фосфоресцентті емес популяцияларды үштік көптүрлілік ішінде олардың ыдырау жолының бөлігі ретінде бақылау үшін пайдалы. Бұл жағдайда импульсті лазер негізгі қозу көзі ретінде де, өте жылдам өлшеулер үшін сағат сигналы ретінде де қолданылады. Еңбекті және уақытты қажет ететін болса да, монохроматордың орны да сіңіру ыдырау профильдерін құруға мүмкіндік беру үшін ауыстырылуы мүмкін, бұл жоғарыда аталған әдіспен бірдей нәтижеге әкеледі. UTA өлшеулерінің деректері әдетте соқпа мен зонд арасындағы кешігу уақыты бойынша реттелген сіңіру спектрлері болып табылады. Әрбір спектр соқпа мен зонд уақытының ажыратылуынан алынған уақыт ажыратылуымен қозудың кешіктірілген уақытынан кейін үлгінің қалыпты тұрақты күйдегі сіңіру профиліне ұқсайды. Қозу толқын ұзындығы соқпа лазермен жабылады және кесіледі. Қалған спектрлерде, әдетте, негізгі күйдегі сіңіру, қозу күйіндегі сіңіру және стимулданған эмиссия сияқты бірнеше жолақтар болады. Қалыпты жағдайда, эмиссия бұрыштары кездейсоқ бағытталады және сіңіру геометриясында анықталмайды. Бірақ UTA өлшеуінде стимулданған эмиссия лазерлік әсерге ұқсайды, жоғары бағдарланған және анықталады. Көп жағдайда бұл эмиссия сіңіру жолақтарымен қабаттасады және сандық талдау үшін оларды ажырату қажет. Бұл жолақтар арасындағы қатынас пен корреляцияны классикалық спектроскопиялық екі өлшемді корреляциялық талдауды қолдану арқылы көруге болады.

This method is typical of 'pump probe' experiments, where a pulsed laser is used to excite the electrons in a material (such as a molecule or semiconducting solid) from their ground states to higher energy excited states. A probing light source, typically a xenon arc lamp or broadband laser pulse created by supercontinuum generation, is used to obtain an absorption spectrum of the compound at various times following its excitation. As the excited molecules absorb the probe light, they are further excited to even higher states or induced to return to the ground state radiatively through stimulated emission. After passing through the sample, the unabsorbed probe light continues to a photodetector such as an avalanche photodiode array or CMOS camera, and the data is processed to generate an absorption spectrum of the excited state. Since all the molecules or excitation sites in the sample will not undergo the same dynamics simultaneously, this experiment must be carried out many times (where each "experiment" comes from a single pair of pump and probe laser pulse interactions), and the data must be averaged to generate spectra with accurate intensities and peaks. Because photobleaching and other photochemical or photothermal reactions can happen to the samples, this method requires evaluating these effects by measuring the same sample at the same location many times at different pump and probe intensities. Most time the liquid samples are stirred during measurement making relatively long time kinetics difficult to measure due to flow and diffusion. Unlike time correlated single photon counting (TCSPC), this technique can be carried out on non fluorescent samples. It can also be performed on non transmissive samples in a reflection geometry. Ultrafast transient absorption can use almost any probe light, so long as the probe is of a pertinent wavelength or set of wavelengths. A monochromator and photomultiplier tube in place of the avalanche photodiode array allows observation of a single probe wavelength, and thus allows probing of the decay kinetics of the excited species. The purpose of this setup is to take kinetic measurements of species that are otherwise nonradiative, and specifically it is useful for observing species that have short lived and non phosphorescent populations within the triplet manifold as part of their decay path. The pulsed laser in this setup is used both as a primary excitation source, and a clock signal for the ultrafast measurements. Although laborious and time consuming, the monochromator position may also be shifted to allow absorbance decay profiles to be constructed, ultimately to the same effect as the above method. The data of UTA measurements usually are reconstructed absorption spectra sequenced over the delay time between the pump and probe. Each spectrum resembles a normal steady state absorption profile of the sample after the delay time of the excitation with the time resolution convoluted from the pump and probe time resolutions. The excitation wavelength is blinded by the pump laser and cut out. The rest of the spectra usually have a few bands such as ground state absorption, excited state absorption, and stimulated emission. Under normal conditions, the angles of the emission are randomly orientated and not detected in the absorption geometry. But in UTA measurement, the stimulated emission resembles the lasing effect, is highly oriented, and is detected. Many times this emission overlaps with the absorption bands and needs to be deconvoluted for quantitative analysis. The relationship and correlation among these bands can be visualized using the classical spectroscopic two dimensional correlation analysis.

Көп өлшемді спектроскопия

2D ЯМР эксперименттерімен қадамдастырылған бірдей принциптерді қолдану арқылы, ультражылдам импульстарды пайдалану арқылы көпөлшемді оптикалық немесе инфрақызыл спектроскопияны жүзеге асыру мүмкін. Әртүрлі жиіліктер әртүрлі динамикалық молекулалық процестерді зерттеп, біртекті емес және біртекті сызық кеңеюін ажыратуға, сондай-ақ өлшенген спектроскопиялық өтулер арасындағы байланысты анықтауға мүмкіндік береді. Егер екі осциллятор бірігіп кетсе, ол молекулаішілік тербелістер немесе молекулааралық электрондық байланыс болсын, қосымша өлшемділік сызықтық спектрлерде анықталмайтын гармониялық емес жауаптарды шешеді. Типикалық 2D импульстік тізбек жүйеге когерентті күйлерді енгізу үшін бастапқы импульстан тұрады, одан кейін жүйені когерентті емес қоздырылған күйге итеру үшін екінші фазалық конъюгат импульсынан және соңында өлшенетін импульсті тудыратын когерентті күйге қайта айналдыратын үшінші импульстан тұрады. 2D жиілік спектрін бір осьте бірінші және екінші импульстар арасындағы кешігудің Фурье түрлендірілісін, ал екінші осьте үшінші импульстің сигналын тудыратын детекциялық импульсқа қатысты кешігудің Фурье түрлендірілісін салыстыру арқылы жазуға болады. 2D спектроскопия – төрт толқынды араластыру экспериментінің мысалы, ал сигналдың толқын векторы импульстік тізбекте қолданылған үш кіріс толқын векторларының қосындысына тең болады. Көпөлшемді спектроскопия инфрақызыл және көрінетін нұсқаларында, сондай-ақ әртүрлі толқын ұзындығы аймақтарын пайдаланатын комбинацияларда бар.

Өте жылдам бейнелеу

Көптеген ультражылдам бейнелеу әдістері стандартты сорғы-зонд эксперименттерінің түрлері болып табылады. Көбінесе қолданылатын әдістерге электрондық дифракциялық бейнелеу, Керр қақпалы микроскопиясы, ультражылдам электрондық импульстармен бейнелеу және терагерцтік бейнелеу жатады. Бұл, әсіресе биомедициналық сала үшін маңызды, онда қауіпсіз және инвазивті емес диагностикалық әдістерге үнемі қызығушылық танытылады. Терагерцтік бейнелеу соңғы кезде тіс эмаліндегі шіру ошақтарын анықтау және тері қабаттарын бейнелеу үшін қолданылып келеді. Сонымен қатар, ол сүт безі ісігінің аймағын сау тіндерден сәтті ажырата алатынын көрсетті. Басқа да биомедициналық емес қолданыстарға бұрыштардың артынан немесе мөлдір емес заттар арқылы ультражылдам бейнелеу кіреді.

Фемтосекундтық жоғарыға айналу

Фемтосекундтық жоғары түрлендіру – бұл фотондардың жоғары түрлендірілуі арқылы жаңа жиілікті сигнал жасау үшін сызықтық емес оптиканы қолданатын, сорғы-зондтау әдісі. Бұл әдіс флуоресценттік және зондтау сигналдарын біріктіреді, ал алынған сигнал кейін анықталады. Зонд, сорғы үлгіні қоздырғаннан кейін, уақыт бойынша кешігуді сканерлейді, нәтижесінде уақытқа тәуелді қарқындылық графигі құрылады.

Фемтосекундтық спектроскопияның биохимияға қолданылуы

Өте жылдам процестер биологияның барлық салаларында кездеседі. Фемтосекундтық әдістердің пайда болуына дейін, мұндай процестердің көптеген механизмдері белгісіз болды. Мысалдарға родопсин хромофоры торсықтың цис-тран фотоизомеризациясы, ДНК-ның қозу күйі мен популяциялық динамикасы, сондай-ақ фотосинтез реакция орталықтарындағы зарядтардың тасымалдану процестері жатады. Фемтосекундтық әдістердегі жетістіктер табиғаттағы өте жылдам құбылыстарды түсіну үшін маңызды болып табылады.

Фотодисоциация және фемтосекундтық зондтау

Фотодисоциация – химиялық қосылыстың фотондардың әсерінен ыдырау реакциясы. Бұл бір немесе бірнеше фотонның бір нысана молекуласымен өзара әрекеттесуі ретінде анықталады. Кез келген фотон, жеткілікті энергияға ие болса, химиялық қосылыстың химиялық байланыстарына әсер ете алады, мысалы, көзге көрінетін жарық, ультракүлгін сәуле, рентген сәулелері және гамма сәулелері. Химиялық реакцияларды зерттеу әдісі мономолекулалық диссоциацияларға табысты қолданылды. Жеке соқтығысу деңгейінде бимолекулалық реакцияларды зерттеу үшін фемтосекундтық техниканы қолдану мүмкіндігі, кеңістіктік және уақыттық синхрондау қиындықтарымен күрделенеді. Бұл мәселені шешудің бір жолы – әлсіз байланысқан молекулалық кластерлердің Ван-дер-Ваальс кешендерін пайдалану. Фемтосекундтық техникалар химиялық реакцияларды бақылаумен ғана шектелмейді, сонымен қатар реакция барысына әсер ету үшін де қолданылуы мүмкін. Бұл жаңа релаксация арналарын ашуға немесе белгілі бір реакция өнімдерінің мөлшерін арттыруға мүмкіндік береді.

Стрик камера

Аттосекундтық және фемтосекундтық импульстерден өзгеше, наносекундтық масштабтағы импульстердің ұзақтығы электрондық тәсілдермен өлшенуге жеткілікті баяу болады. Стрик камералары импульстердің уақыт бойынша өзгеретін сипатын кеңістіктік сипатқа айналдырады; яғни, детекторға әртүрлі уақытта жеткен фотондар детектордың әртүрлі жерлерінде тіркеледі.

Уақытпен байланысты бір фотондарды санау

Уақытпен байланысты жалғыз фотондарды санау (TCSPC) молекулалардың қозған күйден төменгі энергиялы күйге сергілуін талдау үшін қолданылады. Үлгідегі әртүрлі молекулалар бір уақытта қозғаннан кейін фотондарды әртүрлі уақытта шығарады, сондықтан ыдырау, қозғаннан кейін белгілі бір уақытта емес, белгілі бір жылдамдықпен болатынын ескеру керек. Жеке молекулалардың фотондарын шығаруға кеткен уақытын байқап, содан кейін барлық деректерді біріктіру арқылы осы процестерге тән экспоненциалдық ыдырау қисығын көрсететін қарқындылыққа қарсы уақыт графигін жасауға болады. Дегенмен, бірнеше молекулаларды бір уақытта бақылау қиын. Оның орнына, жеке қоздыру-сергілу оқиғалары тіркеледі, содан кейін қисықты құру үшін орташаланады. Бұл әдіс үлгі молекуласының қоздырылуы мен энергияның басқа фотон түрінде босатылуы арасындағы уақыт айырмасын талдайды. Бұл процесті көп рет қайталаса, ыдырау профилі алынады. Импульсті лазерлер немесе светодиодтар (LED) қоздыру көзі ретінде қолданылуы мүмкін. Жарықтың бір бөлігі үлгі арқылы өтеді, ал екінші бөлігі электроникаға "синхронизация" сигналы ретінде жіберіледі. Үлгі молекуласы шығаратын жарық, белгілі бір толқын ұзындығын таңдау үшін монохроматор арқылы өтеді. Содан кейін жарық фотокөбейтуші түтікше (ФКТ) арқылы анықталып, күшейтіледі. Шығарылған жарық сигналы мен эталондық жарық сигналы, уақыттың шағылысуын жоятын тұрақты үлесті бөліп ажыратушы (CFD) арқылы өңделеді. CFD арқылы өткеннен кейін эталондық импульс, уақыт-амплитуда конverterінің (TAC) тізбегін қосады. TAC, келесі электр импульсіне дейін сигналды сақтайтын конденсаторды зарядтайды. Кері TAC режимінде "синхронизация" сигналы TAC-ты тоқтатады. Бұл деректер аналогты-цифрлық түрлендіргіш (ADC) және көп арналы анализатор (MCA) арқылы одан әрі өңделіп, деректер шығарылады. Ыдырау ерте келген фотондарға қарай бұрмаланбағанын қамтамасыз ету үшін фотондардың санау жылдамдығы төмен ұсталады (әдетте қоздыру жылдамдығының 1% -дан кем). Бұл электр импульсі екінші лазер импульсі молекуланы жоғары энергиялы күйге қоздырғаннан кейін пайда болады, ал фотон бастапқы күйіне оралғаннан кейін бір молекуладан шығады. Осылайша, молекула фотонды шығаруға қанша уақыт жұмсаса, соғұрлым нәтижелі импульстің кернеуі жоғары болады. Бұл техниканың негізгі идеясы конденсаторды разрядтау үшін тек бір фотонның қажеттілігі болып табылады. Осылайша, қоздыру мен шығару арасындағы барлық кешігуді жинау үшін экспериментті көп рет қайталау қажет. Әрбір сынақтан кейін, алдын ала калибрленген компьютер TAC жіберген кернеуді уақытқа айналдырып, оқиғаны қоздырудан бергі уақыттың гистограммасында тіркейді. Молекулалардың ешқайсысының сергімеу ықтималдығы уақыт өте келе төмендейтіндіктен, ыдырау қисығы пайда болады, оны оқиғаның ыдырау жылдамдығын анықтау үшін талдауға болады. Басты қиындық - көптеген ыдырау процестерінде бірнеше энергия күйлері және, демек, бірнеше жылдамдық константалары болады. Сызықтық емес ең кіші квадраттарды талдау әртүрлі жылдамдық константаларын анықтаса да, осы процестерді анықтау өте қиын және бірнеше өте жылдам әдістерді біріктіруді қажет етеді. Молекуладағы жүйелер аралық өту және басқа да сәулеленбейтін процестер одан да қиындық тудырады. Бұл техниканың шектеулі факторы - флуоресценттік ыдырауға әкелетін энергия күйлерін зерттеумен шектеледі. Бұл әдіс жартылай өткізгіштердегі электрондардың өткізгіштік белдеуінен валенттік белдеуге сергілуін зерттеу үшін де қолданылуы мүмкін.

Time correlated single photon counting (TCSPC) is used to analyze the relaxation of molecules from an excited state to a lower energy state. Since various molecules in a sample will emit photons at different times following their simultaneous excitation, the decay must be thought of as having a certain rate rather than occurring at a specific time after excitation. By observing how long individual molecules take to emit their photons, and then combining all these data points, an intensity vs. time graph can be generated that displays the exponential decay curve typical to these processes. However, it is difficult to simultaneously monitor multiple molecules. Instead, individual excitation relaxation events are recorded and then averaged to generate the curve. This technique analyzes the time difference between the excitation of the sample molecule and the release of energy as another photon. Repeating this process many times will give a decay profile. Pulsed lasers or LEDs can be used as a source of excitation. Part of the light passes through the sample, the other to the electronics as "sync" signal. The light emitted by the sample molecule is passed through a monochromator to select a specific wavelength. The light then is detected and amplified by a photomultiplier tube (PMT). The emitted light signal as well as reference light signal is processed through a constant fraction discriminator (CFD) which eliminates timing jitter. After passing through the CFD, the reference pulse activates a time to amplitude converter (TAC) circuit. The TAC charges a capacitor which will hold the signal until the next electrical pulse. In reverse TAC mode the signal of "sync" stops the TAC. This data is then further processed by an analog to digital converter (ADC) and multi channel analyzer (MCA) to get a data output. To make sure that the decay is not biased to early arriving photons, the photon count rate is kept low (usually less than 1% of excitation rate). This electrical pulse comes after the second laser pulse excites the molecule to a higher energy state, and a photon is eventually emitted from a single molecule upon returning to its original state. Thus, the longer a molecule takes to emit a photon, the higher the voltage of the resulting pulse. The central concept of this technique is that only a single photon is needed to discharge the capacitor. Thus, this experiment must be repeated many times to gather the full range of delays between excitation and emission of a photon. After each trial, a pre calibrated computer converts the voltage sent out by the TAC into a time and records the event in a histogram of time since excitation. Since the probability that no molecule will have relaxed decreases with time, a decay curve emerges that can then be analyzed to find out the decay rate of the event. A major complicating factor is that many decay processes involve multiple energy states, and thus multiple rate constants. Though non linear least squares analysis can usually detect the different rate constants, determining the processes involved is often very difficult and requires the combination of multiple ultra fast techniques. Even more complicating is the presence of inter system crossing and other non radiative processes in a molecule. A limiting factor of this technique is that it is limited to studying energy states that result in fluorescent decay. The technique can also be used to study relaxation of electrons from the conduction band to the valence band in semiconductors.