在很多光电材料与器件研究中，真正决定性能的关键过程，往往发生在极短的时间尺度上。光激发之后，激发态如何形成？能量是否发生转移？电荷是否快速分离？体系如何弛豫，又在哪个环节发生复合？这些问题，仅靠稳态吸收或稳态发光通常难以完整回答。

飞秒瞬态吸收光谱（Transient Absorption Spectroscopy, TAS）因此成为研究超快动力学的重要方法。它采用泵浦-探测方式，把光激发后的瞬态变化记录下来，并形成“波长—时间”二维信息，用于观察体系在超快时间尺度上的演化。

对于适用于该方法的样品，通常需要能够承受泵浦激发，并具有合适的吸收或散射条件。本文围绕一个核心问题展开：飞秒TAS 直接测到了什么，又该如何从二维数据走向可靠的物理图像？

01 飞秒TAS 直接测到的是什么？

飞秒 TAS的核心并不是直接“看到某一种粒子”，而是测量pump on / off 条件下样品吸收变化所对应的差分信号，通常用ΔA 表示。

实验中，飞秒泵浦光（pump）先激发样品，使体系从平衡态进入光激发后的非平衡态；随后，一束延迟可调的探测光（probe）读取样品在该时刻的吸收变化。通过不断改变泵浦与探测之间的延迟时间Δt，并在不同探测波长下重复测量，就可以得到随时间演化的一组瞬态光谱。

当这些数据沿“探测波长λ”和“延迟时间t”两个维度展开时，就形成TAS 最典型的输出：ΔA(λ,t)二维谱图。二维图同时保留光谱维度和时间维度，因此既能回答“信号出现在哪里”，也能回答“信号如何建立、演化和衰减”。

图1. 飞秒TAS 从 pump–probe时序到 ΔA(λ,t)二维数据

02 为什么ΔA 会有正有负？

初看 TAS数据时，最直观的特征之一就是既有正信号，也有负信号。这里需要先明确：ΔA的正负号反映的是吸收变化方向及不同光谱贡献的叠加结果，并不自动对应某一种唯一物种。

在常见的差分吸收定义下，基态漂白（Ground-State Bleach, GSB）源于基态粒子被激发后原有吸收减弱，通常表现为负信号；受激发射（Stimulated Emission, SE）也常表现为负信号；激发态吸收或光诱导吸收（Excited-State Absorption / Photoinduced Absorption, ESA/PIA）则常表现为正信号。

真实 TA光谱通常是多种贡献在不同波长、不同时间上的叠加。因此，一个位置出现正信号，并不能仅凭符号就确定“它一定属于某个中间态”；出现负信号，也不能不加分析地直接归因为GSB 或SE。更稳妥的方式是把正负号作为贡献类型的线索，再结合光谱位置、时间演化、样品对照和互补证据完成归属。

图2. ΔA的正负号与GSB、SE、ESA/PIA等瞬态贡献

03 二维TA 图应该怎么读？

二维 TA数据的信息量很大，但基本读法可以归纳为两个方向：固定延迟读取瞬态光谱，或固定探测波长读取动力学。

固定延迟时间，相当于在某一个特定时刻截取一条完整瞬态光谱。由此可以观察哪些波段出现信号、信号是正还是负、峰形是否变化，以及峰位是否随时间移动。

固定探测波长，则可以得到该波长位置上的动力学曲线，更适合观察信号是瞬时建立还是延迟建立，是单调衰减还是先升后降，以及不同波长处的动力学是否同步。二维图的价值就在于把这两类信息统一在同一套数据中。

图3. 二维TA 图的两种基本切片：瞬态光谱与动力学

04 常见TA 形貌能提示什么？

在实际研究中，很多分析从“形貌观察”开始。某些典型形貌确实能够提示潜在过程，但首先应把它们理解为现象层证据。

如果某一信号不是瞬时达到最大，而是先建立、后衰减，可能提示存在中间态形成、态间转移或后续耗散过程；如果峰位随延迟时间持续移动，可能与弛豫、局域环境变化或不同谱分量权重变化有关；如果一个信号衰减而另一个信号同步建立，则可能提示两个通道之间存在关联。

需要强调的是，“可能提示”与“直接证明”并不是同一层级。一个时间常数并不自动等同于某个本征寿命，一个峰位移动也不应在缺少辅助证据时直接写成已经确定的转移机制。更可靠的结论通常需要光谱指纹、动力学模型和对照实验共同支撑。

图4. 几类常见TA 形貌及其解释边界

05 飞秒TA 为什么容易被实验因素误导？

飞秒 TAS对实验质量比较敏感。如果时间轴、激发条件或样品状态控制不当，得到的曲线即使“看起来合理”，也未必能支撑可靠结论。

首先，白光连续谱不同波长的群速度并不完全一致，因而不同波长的时间零点可能发生偏移，通常需要进行谱—时校准和chirp / GVD 校正。其次，在pump 与 probe脉冲强烈重叠的t≈0 区域，可能出现相干伪影或其他非共振瞬态信号，这一时间区域需要谨慎识别。

激发密度同样重要。过高的pump fluence 可能引入多激子、高阶响应或湮灭过程，使测得动力学偏离目标实验条件；因此，fluence依赖通常是判断线性激发区的重要手段。对于散射较强、稳定性较差或容易发生光损伤的样品，还需要检查测量前后状态与重复性，避免把实验伪效应误认为真实动力学。

图5. 飞秒TA 测量中需要重点控制的四类实验因素

06 飞秒TAS 的“可用波段”为什么不能脱离配置单独谈？

讨论 TAS系统时，常见问题是“它能测到哪个波段”。更准确的回答通常不是一个脱离具体配置的固定数字，而是：实际可用的泵浦与探测窗口由系统配置和样品条件共同决定。

泵浦端受激光或OPA的输出波长、脉宽、能量与重复频率影响；探测端受到白光连续谱覆盖范围与稳定性、光谱仪和探测模块响应范围及灵敏度的限制；与此同时，样品自身的吸收、散射、厚度以及透射或反射测量几何，也会决定最终真正可用的窗口。

因此，对FemtoFly这类飞秒瞬态吸收光谱系统，更合适的表述是：系统采用飞秒泵浦-探测获取瞬态吸收波长—时间二维信息；适用于能承受泵浦并具有合适吸收或散射条件的材料和部分器件；实际可用波段需要结合激光、白光源、探测模块以及样品条件具体确认。

图6. TAS实际泵浦 /探测窗口的共同决定因素

07 从二维信号到机制结论，中间还差哪几步？

二维图丰富、动力学曲线直观，因此TAS数据很容易诱发“过快下结论”。看到几条特征曲线之后，直接写出“发生了电荷分离”“存在能量转移”或“复合受到抑制”，往往跨越了必要的证据层级。

更稳妥的分析路径通常包括五个层次：先忠实描述ΔA(λ,t) 中直接可见的峰位、正负号、建立与衰减；再通过光谱切片、动力学比较或SVD 等方式分离主要特征；必要时使用全局分析或目标分析提取时间常数与组分谱；随后通过不同fluence、不同泵浦波长、温度、样品对照以及互补表征进行交叉验证；最后才对能量转移、电荷分离、弛豫或复合等机制给出与证据强度相匹配的限定性解释。

其中尤其需要注意：时间常数并不自动等于某个物种的本征寿命。拟合结果依赖模型与假设，而机制判断通常也需要独立证据共同支撑。

图7. 从ΔA(λ,t) 直接观测到机制判断的证据层级

08 为什么飞秒TAS 对超快过程研究很重要？

很多材料体系的关键差异，并不只体现在“有没有吸收”或“有没有发光”，而体现在光激发后一系列超快过程的先后关系与竞争关系。飞秒TAS 能够在同一实验框架下观察激发态形成、能量转移、电荷分离、弛豫以及超快复合等过程所对应的瞬态光谱与动力学变化。

正因如此，TAS被广泛用于分子与材料体系的光物理、光化学和非平衡动力学研究，也常见于半导体薄膜、有机光电材料、钙钛矿、二维材料、光催化体系以及部分器件相关研究。

09 结语

飞秒瞬态吸收光谱的价值，不只是“能看到很快的过程”，而在于它把光谱信息和时间信息同时纳入同一套数据框架，为理解光激发后的复杂演化提供更完整的观察窗口。

与此同时，TAS也是一种很容易被过度解释的方法。更可靠的路径是：先看清楚信号是什么，再分析信号如何变化；先区分直接观测、拟合参数与模型推断，再讨论这些变化可能对应什么过程；最终让机制结论受到数据质量、模型假设与独立证据的共同约束。

10 相关设备

飞秒瞬态吸收光谱仪FemtoFly

东谱科技FemtoFly是一款光泵浦与电泵浦一体化飞秒瞬态吸收光谱仪，用于研究材料和工作态器件中的超快载流子动力学。系统可追踪激发态建立、能量转移、载流子冷却、俘获与早期复合过程。适用于钙钛矿、半导体、光伏器件、有机光电材料和光催化体系的超快机理研究。超快光谱研究正在从材料薄膜延伸到工作器件、二维半导体、钙钛矿和光催化体系，热点问题包括热载流子冷却、激子解离、界面电荷转移和早期复合。FemtoFly的光泵浦/电泵浦模式可分别观察光激发材料过程与电驱动器件过程。

FemtoFly

参考资料

1. He, S.; Jin, P.; Lian, T.; et al. Transient absorption spectroscopy. Nature Reviews Methods Primers 6, 34 (2026). DOI: 10.1038/s43586-026-00488-1.

2. Chou, K.-C.; Zeitz, D. C.; Khvichia, M.; Zhang, J. Z. Tutorial: Transient Absorption Spectroscopy for Probing Ultrafast Dynamics. ACS Physical Chemistry Au 6(4), 584–596 (2026). DOI: 10.1021/acsphyschemau.6c00027.

3. Berera, R.; van Grondelle, R.; Kennis, J. T. M. Ultrafast transient absorption spectroscopy: principles and application to photosynthetic systems. Photosynthesis Research 101, 105–118 (2009). DOI: 10.1007/s11120-009-9454-y.