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深入解析拉曼效应及其应用

时间:2023-06-25 理论教育 版权反馈
【摘要】:之后的7年,拉曼的小组开始各种研究,从量子力学的角度来解释拉曼散射和瑞利散射。拉曼散射有能量交换。主要是以苯、二硫化碳、四氯化碳、丙酮、二甲亚砜等为代表的几十种有机液体,它们具有较大的拉曼散射截面和一些熟知的散射频移谱线,散射频移对应着液体分子的振动拉曼跃迁。此外,利用某些金属原子蒸气作为介质,也可以产生对应于电子跃迁的受激拉曼散射。

深入解析拉曼效应及其应用

拉曼在印度是神一般的存在,自带光环的一生,虽然拉曼在科学上做出卓越的贡献,可他最喜欢的是玫瑰。去世后,被葬在他的玫瑰花园里。

拉曼

1921年,33岁的拉曼,代表印度最高学府加尔各答大学,到牛津参加英联邦的大学会议,还去英国皇家学会发表了演讲。

要知道,这在当时的印度有多难,想当年18岁的拉曼就在nature发表文章,可当时印度是英国的殖民地,要想成为科学家就要先到英国受训,拉曼身体不好达不到受训的条件。

当时的印度只有会计这个职业不需要去英国受训,19岁高智商的拉曼考了会计第一名,去财政部赚五斗米糊口,业余时间做科研。

10年之后,拉曼业余的科研成就已经卓越不凡,被特聘为教授。

所以33岁的拉曼代表印度最高学府参加英联邦的大学会议,是相当不容易的。

意气风发的拉曼在回程的邮轮上,感觉人生是如此的辉煌,天蓝蓝、海蓝蓝。

然后,遇到一位母亲无法回答孩子的问题,拉曼叔叔是科学家叔叔啊,16岁就知道瑞利叔叔,他说:

可是,科学家拉曼再一琢磨,细细地观察之后,发现……

拉曼的小宇宙再次爆发,参加学术会议还带着各种光学仪表呢,边做实验边写论文

在船中途靠岸休息时,这两篇光芒四射的论文寄走了。

他写的是:海水的蓝,不是天空的蓝的反射,而是光与水分子作用后的新光子,新频率导致的新颜色。

之后的7年,拉曼的小组开始各种研究,从量子力学的角度来解释拉曼散射和瑞利散射

瑞利散射没有能量交换,只改变了光子的方向。

拉曼散射有能量交换。

人生就是这样子,一直做一直做,春天的玫瑰种子总有一天开出耀眼的玫瑰,一朵朵鲜艳的玫瑰来安抚拉曼的人生。

之后,拉曼继续做着研究,从42岁的拉曼叔叔,静静地研究到72岁的拉曼爷爷,这时世界上传来一个声音:(www.xing528.com)

梅曼发明激光器啦!

拉曼爷爷的小宇宙再次迸发,我的散射终于派上用场啦!

1962年伍德伯里(Woodburry)和恩戈(Ng)在研究以硝基苯作Q开关红宝石激光器的克尔盒时,探测到从克尔盒发射出的强红外辐射信号,波长是767.0 nm。按照红宝石的能级及其与谐振腔的耦合来看,该装置输出的激光光谱只存在694.3 nm谱线。然而,用分光仪测量波长时,发现若无克尔盒时,确实只存在694.3 nm谱线,一旦在腔中加上硝基苯克尔盒,则除了694.3 nm外,还有767.0 nm谱线。经反复研究,红宝石材料的确不存在767.0 nm谱线。后来证实它是硝基苯所特有的,是由强红宝石激光引起的一条拉曼散射斯托克斯谱线。

什么是斯托克斯线?前头提到斯托克斯光子,光子把能量送给分子,产生一个斯托克斯光子。光子把能量给分子?咦,这不是电子可以获得能量了哇( 这和激光器的受激辐射很像)!

光子有时候也欺负物体分子,吸收人家的能量。这叫反斯托克斯光子,生成的光谱叫反斯托克斯线。

斯托克斯光子,是物体吸收光子能量,然后就有了受激拉曼散射。

电子吸收光子能量

光子把能量送给电子,电子激发,加上分子振动,然后一生二,二生四,这就可以放大了。

有些东西有点贵,比如金刚石,这要给笔者,首选做成钻戒。

介绍一段常识

(1)液体。主要是以苯、二硫化碳四氯化碳丙酮、二甲亚砜等为代表的几十种有机液体,它们具有较大的拉曼散射截面和一些熟知的散射频移谱线,散射频移对应着液体分子的振动拉曼跃迁。

(2)固体。主要是以金刚石、方解石、铌酸锂、硝酸钡、钨酸钡等为代表的单晶体,此外还有光学玻璃和光学玻璃纤维等介质,散射频移也对应着分子或玻璃体网络单元的振动拉曼跃迁。

电子受激跃迁放大

(3)气体。高效率的受激拉曼散射效应(SRS)可在很多分子气体(如氢气、氘气、氮气、甲烷六氟化硫等)系统中产生,受激拉曼可以分别是基于这些分子的振动、振动—转动或纯转动拉曼跃迁,工作气压通常在几十个大气压或更高,以获得较高的增益因子。此外,利用某些金属原子蒸气作为介质,也可以产生对应于电子跃迁的受激拉曼散射。

拉曼光纤放大器(RFA),是利用SRS来工作的。

如果一个弱信号光与一个强泵浦光同时在一根光纤中传输,强泵浦光的能量通过SRS耦合到光纤硅材料的振荡模中,然后又以较长的波长发射,该波长就是信号光的波长,从而使弱信号光得到放大,获得拉曼增益:

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