激光拉曼光谱技术剖析.ppt

一、三阶非线性极化系数 样品在强激光电场作用下，将产生高阶非线性现象，这时的电极化强度可写为： 由三阶极化强度P (3)(r,t)可以推导出许多三阶非线性现象。这些非线性现象有如下特点： 1) 三阶非线性现象在介质具有反演对称性时表现明显； 2) 参与三阶非线性光学过程是四光子过程。在参与作用的四光子中，三个光子来自入射波，另一个光子为新产生的，因此χ3是四个光子频率的函数； 3)三个入射光子的频率可以是相等的，也可以不等，混频过程便产生出众多的频率分量，它们分别对应不同的非线性光学现象。与χ3相关的非线性光学现象有：三次谐波：产生频率为人射波频率三倍的谐波；四波混频：产生频率为两束光的频率之和并与第三束光混频的谐波；拉曼散射；光克尔效应：在拉曼介质内内激光诱导产生双折射效应；布里渊散射：这是入射光对介质声振动的散射；双光子吸收。 二、相干反斯托克斯与斯托克斯拉曼散射 CARS和CSRS过程是一种三阶非线性光学效应，基本原理是：频率为ωl的泵浦光束和频率为ωs的斯托克斯光束在介质中重叠后，当满足ωr=ωl-ωs（ωr是拉曼活性震动或转动跃迁频率）时，会相干激发介质中的分子振动或转动,而这种振动或转动的相干激发又与入射光场El(ωl)和Es(ωs)再混合。 如果入射激光束之间夹角满足相位匹配关系，则相干叠加的过程使产生的ωa(ωa=2ωl-ωs=ωl+ωr)信号得到增强并具有相干性，即得到相干的反斯托克斯拉曼散射信号；当相干激发与斯托克斯光场混合也可以产生频率更低的相干光束ω2s(ω2s=2ωs-ωl=ωs-ωr)，即相干斯托克斯拉曼散射。 CSRS散射光测量中容易受到荧光干扰，散射方法有缺陷；而CARS散射避开了荧光干扰，应用更广泛，具有如下特点： 好的方向性：相位匹配关系决定； 共振效应：利用了介质中的拉曼共振，提高信号强度； 具有强的抗荧光干扰性； 偏振特性：与入射激光偏振特性以及介质的对称性有关。 产生CARS散射的三阶非线性极化系数χ3（-ωa,ωl,-ωs,ωl），含有ωl、ωs、ωa等的频率分量。设两个激光场为沿z方向传播的平面波 将上式带入三阶极化强度表达式 P（3）中出现很多频率分量，CARS极化强度 PCARS(3)是产生频率为ωa的电磁波的激发源，CARS场在非线性介质中的传播方程 在介质中CARS场从z=0传播到z=l后 式中Δk=2kl-ks-ka为CARS场与频率为2ωl-ωs的驱动场之间的相位失配。 CARS场的强度 第三节 受激拉曼散射 1962年Woodbury等人发现受激拉曼散射。红宝石激光通过苯溶液时，当功率增强时，一级斯托克斯拉曼散射谱线强度迅速增加，发散角减少，谱线变窄，具有了受激发射的性质，被称为受激拉曼散射。当激发光进一步增强时，可以得到波数为ω0±nωR的多级斯托克斯与反斯托克斯受激拉曼散射线。n=1,2,3…，表示散射级次。 受激拉曼散射的方向性很好，有前向拉曼散射和后向拉曼散射； 受激拉曼散射有明显的阈值特性。 一、受激拉曼散射 苯溶液受激拉曼散射实验 前向受激拉曼散射同心圆 拉曼散射是分子振动的声子对入射光散射的结果。 自发拉曼散射：声子是由热振动激发的，入射光与无规相位分布的声子相互作用，散射光是非相干光； 受激拉曼散射：相干入射光被受激的相干声子所散射，散射光是相干光。 对于一级斯托克斯的受激散射情形，入射光子与介质中声子相碰撞，产生一个斯托克斯光子和一个受激声子。该受激声子又与入射光子碰撞，又增加一个受激声子，如此重复，受激声子数量就迅速地增长起来。由于受激声子是在相干光激发下形成的，所以受激产生的散射光也是相干光。 受激拉曼散射中斯托克斯能级跃迁 当发生ωl-ωs=ωa-ωl的拉曼共振时，泵浦光与斯托克斯波在介质中混频，并诱导产生频率为2ωl-ωs=ωa的反斯托克斯波的三阶非线性极化强度P(3)(ωa)。P(3)(ωa)是产生频率为ωa的电磁波的激发源。 受激拉曼散射极化强度： 受激反斯托克斯散射： 三阶非线性极化系数： 斯托克斯波传播常数： 式中实部使介质的介电常数发生变化，它导致产生介质的光诱导双折射及自聚焦等效应；而虚部则使斯托克斯波获得增益。 斯托克斯波强度在传播过程中获得增益，增益系数Gs 斯托克斯波光强Is增长方程 考虑损耗后，受激拉曼散射存在一阈值Gth 二、受激拉曼增益(SRGS) 在受激拉曼散射中，入射的强激光可以在介质中激发出多级受激拉曼谱线。如果在输入泵浦光的同时，再输入一斯托克斯散射频率的光，该频率的光将被放大。 三阶非线性极化产生的受激拉曼增益强度为 与CARS信号相比，SRGS信号不要求相位匹配，因此探测光束与泵浦光可以共线，也可以有任意夹角