关于相干喇曼光谱学介绍

[拼音]：xianggan Laman guangpuxue

[外文]：coherent Raman spectroscopy

1928年后，自发的喇曼散射已成为重要的光谱学工具。但其散射强度十分微弱，因而在应用上受到了限制。另一方面，借助于激光器发展起来的相干喇曼光谱学技术给出的信号强度比自发喇曼散射大几十亿倍。这种巨大进展使它在物理学、化学以及多种技术科学中得到了更为广泛的应用。

历史

相干喇曼光谱学始于1962年的受激喇曼振荡的发现：当入射光的强度达到某一水平时，喇曼信号变为类似于激光光束了。这个发现对于产生强相干光束是很有用的。其后不久，又观测到受激喇曼效应会引起相应的反斯托克斯线的强度的损耗，这种现象现在称为倒喇曼效应 (IRE)。进一步的发展是利用四波混频过程来产生新的相干频率，后来，人们把这种光谱技术称为相干反斯托克斯喇曼光谱学(CARS)。在此基础上，1976年出现了一种没有背景噪声的光谱学方法，并命名为喇曼引起的克尔效应光谱学 (RIKES)。所有这些观测到的效应都可以由三阶非线性极化系数κ(3)来正确地描述。

基本概念

相干喇曼光谱学的基本概念可以简述如下：入射在分子上的两个不同频率(w1及w2，w1＞w2)会迫使分子以两个频率之差 (w1-w2)的频率作振动，这是一种相干的受迫振动。如果激光频率之差等于分子的简正振动的频率wi时，则分子振动为共振的相干受迫振动，其振动的振辐是很大的。在这种相干受迫振动中，分子的振动频率会同入射激光的频率混合起来产生媒质的极化，而这个极化所发射的各种频率的辐射便成为各种相干喇曼光谱的基础。

学科内容

是一种最广泛的实用非线性激光光谱学技术。在这种技术中，使频率为w1及w2的强激光光束通过样品，并且它们的频率之差w1-w2(w1＞w2)等于样品的喇曼跃迁频率wRo。由于频率为 (w1-w2)的振荡同频率为w1波在媒质中的非线性混合， 或者说具有频率w1的两个波同具有斯托克斯频率w2的在媒质中混合，则产生出频率为wS＝2w1-w2的新的反斯托克斯波。在这种技术中至少有一台激光器是可调频的。如果把两个入射激光波的作用倒过来，则可产生出频率为wS＝2w2-w1的新的斯托克斯波，相应的技术称为相干斯托克斯喇曼光谱学(CSRS)。其信号频率低于最小的入射激光频率。

它的主要优点是能够产生出类似激光光束的强信号，但是要想得到最大的信号，有关波矢k必须满足波矢匹配条件：|kS-2k1+k2|＜π/l。其中l为相互作用的长度，kS、k1、k2是分别与wS、w1、w2相对应的波矢。在固体或液体中，当入射激光的功率为10kW、而相互作用长度只有0.1厘米时，则CARS的输出功率约为1W。但在常规的自发喇曼散射中，如利用相同功率的激光器作光源时，所收集的信号功率只有 100XW。在CARS实验中，所使用的激光器应具有较好的光束质量，足够大的输出功率并且是可调频的。在气体中，为了得到强的输出信号，相互作用区域的长度应有所加长。由于在气体中的波矢匹配角近于零，可以使输入光束共线，这样便增加了相互作用区域的长度。因此，在气体中，CARS的输出信号的强度同液体情况下的相差无几。

多道 CARS是单频脉冲 CARS的另一种可供选择的技术，近来颇受到重视。在多道CARS中，所用的激光光束为宽频带的光束。宽带激光的每一个频率分量产生自身的CARS信号，这些信号可由光谱仪分开来并由光学多道分析仪（或照相机）探测之。多道CARS的优点是在单次激光脉冲中可得到更多的喇曼光谱。

近年来，在相干喇曼光谱学中，RIKES占有重要地位。这种喇曼光谱技术的特点是相位匹配条件能够自动地得到满足并可消除某些本底噪声。在实验中，应用的激光光束为可调的强泵浦激光光束与弱测试激光光束，当强激光光束通过非线性媒质时，会引起二向色性与双折射，即所谓克尔效应。这种效应会引起弱测试光束偏振的改变。如果测试光束开始是线偏振的，则偏振的改变可以借助于透过交叉偏振器的光强的增加探测出来。产生这种克尔效应主要原因是媒质的喇曼振荡模。当泵浦激光光束的频率同测试激光光束的频率之差等于喇曼频率时，所产生的克尔效应最为显著。因此，测量这些共振便成为RIKES的基础。探测的方法是以泵浦激光波的频率为函数来探测测试光束的偏振的改变并从中导出媒质的喇曼光谱来。如果把这种光谱技术同光学外差探测技术相结合，则RIKES的灵敏度可以大幅度地增加，因为在这种情况下，几乎消除了所有的本底噪声，其结果，RIKES的灵敏度高于任何其他相干喇曼光谱技术。

相干喇曼光谱学的应用是多种多样的，例如在燃烧过程中测量有关物质的浓度与温度，测量喇曼截面与非线性系数，研究具有荧光的物质（如生物大分子等）的喇曼光谱，研究极化声子色散，测量振动弛豫等。