电子跃迁的激光拉曼散射

7.3节主要介绍的分子介质的受激拉曼散射，其特点是散射前后分子所处的始末能级属于同一电子能态内的不同振动能级，能级间隔（从而也就是散射光的频移）一般最大不超过103 cm-1量级。本节要进一步介绍由原子系统组成的介质的受激拉曼散射效应，这种效应的特点是，在散射过程的前后原子所处的始末能级属于不同的电子能级，这种能级的间隔一般在103～104 cm-1量级，因此可相应获得较大的受激散射光的频移。

用于产生电子跃迁受激拉曼散射的工作物质，主要是一些金属蒸气系统，它们的能级结构比较简单，不同电子能级相隔距离不太远，在可见光波段有许多被人们熟知的光学跃迁特性。使用金属蒸气的另一个原因，是因为通过适当选择泵浦光波长和工作介质的电子能级结构，比较容易实现共振增强的电子跃迁受激拉曼散射，从而可显著提高效应的产生效率。

图7-17（a）是最常见的单光子泵浦共振增强的SRS跃迁，其要求是入射泵浦光子能量接近于工作原子两个特定电子能级的间隔；如本章前面所述，该过程的实质，涉及一个入射光子的湮灭和一个散射光子的同时产生。图7-17（b）是双光子泵浦共振增强的SRS跃迁，其要求是两个泵浦光子能量之和接近于两个特定电子能级的间隔；该过程的实质，涉及两个入射光子同时湮灭和一个散射光子的同时产生。图7-17（c）是三光子泵浦共振增强的SRS跃迁，其要求是三个泵浦光子能量之和接近于两个特定电子能级的间隔；过程的实质，涉及三个入射光子湮灭和一个散射光子的同时产生。区别于通常单光子泵浦的SRS，后两种特殊情况，分别被称为双光子和三光子泵浦的受激超拉曼散射，它们产生的受激散射波长，在原则上可短于泵浦光波长，但产生难度通常高于单光子泵浦SRS。

图7-17　电子跃迁受激拉曼散射的共振增强机制

（a）单光子泵浦共振增强的受激拉曼散射；（b）双光子泵浦共振增强的受激超拉曼散射；
（c）三光子泵浦共振增强的受激超拉曼散射

高效率的电子跃迁SRS可在诸多金属蒸气系统中实现，包括钾（K）［42～44］、铊（Tl）［45，46］、铯（Cs）［47～51］、钡（Ba）［52～55］、铅（Pb）［46，56］、铋（Bi）［46］、铥（Tm）［53］蒸气等，多数情况下均采用单光子共振增强泵浦。金属蒸气工作温度范围为300～1 200℃，工作气压为几到几十托，汽室长度为30～50 cm，入射泵浦光通常是宽度为纳秒或皮秒量级的高功率脉冲激光。受激散射的频移范围为8 000～28 000 cm-1；当泵浦为紫外或可见光时，输出受激散射为可见或近红外光。在最佳条件下，由泵浦光向受激散射光转换的量子效率为30%～60%，而能量转换效率为20%～40%。

作为一个实例，图7-18给出了钡、铊、铅、铋4种金属蒸气系统的电子能级结构以及以308 nm激光泵浦情况下产生SRS时的跃迁途径［46］。实验中该波长的泵浦光是出自一台气体放电激励的XeCl准分子脉冲激光器，脉冲宽度为25 ns、能量为75 mJ、聚焦入射后的光强可达3 GW/cm2。由图7-18可以看出，在以此波长泵浦条件下，对所采用的4种工作介质而言，均可在不同程度上，达到单光子共振增强的效果。(www.xing528.com)

图7-18　4种（钡、铊、铅、铋）金属蒸气系统的电子能级结构和SRS跃迁途径（泵浦光是波长为308 nm的准分子脉冲激光）［46］

实验上，还在钾、铯、钠（Na）、锶（Sr）等蒸气中实现了双光子泵浦的受激超拉曼散射［57～61］。与通常单光子泵浦SRS相比，这种特殊受激散射的转换效率要低得多（10-4～10-2）。作为一个例子，图7-19给出了在铯蒸气系统中实现双光子泵浦和共振增强的受激超拉曼散射的跃迁能级图［58］；泵浦光是波长为1.064 μm的脉冲激光，脉宽2 ns、光谱宽度0.4 cm-1、峰值功率150 MW。在此情形下，双泵浦光子能量接近于7S1/2能级而达到近共振，因此得以实现初始于6S1/2能级而终止于6P3/2能级的受激超拉曼散射，受激散射波长为1.416 μm。

此外，实验上亦在锂（Li）蒸气中，实现了以三光子泵浦的受激超拉曼散射［62］。泵浦光是波长为571 nm、脉宽为7 ns的染料激光，受激散射波长为395 nm，转换效率为2×10-6。

图7-19　铯金属蒸气系统的电子能级结构和双光子泵浦受激超拉曼散射跃迁（泵浦光是波长为1.064 μm的脉冲激光）［58］

以上考虑的均是斯托克斯光的产生过程，亦即假设绝大部分原子均处于电子基态能级。如果以某种特殊的方法（例如辅助性选择预光泵或预电离），使相当一部分原子事先处于特定的高能级，则在适当波长的入射激光作用下，可以获得频率上转换的反斯托克斯受激散射光。总之，利用电子能级跃迁的受激拉曼散射效应，是获得大频移以及宽调谐范围的相干光变频技术的可能途径之一。