液体中光频再取向克尔效应的背景知识

对于气态分子介质而言，分子可取自由平动、振动和转动等运动形式，因此可相应观察到振动、振转及纯转动跃迁拉曼散射等效应。对于液态分子介质而言，分子仍可取平动和振动的运动形式，但不能取自由转动的形式，因此观察不到振转或纯转动的拉曼散射效应。如果液体的组成为各向异性分子，虽然它们受到液体内转动阻尼的作用而不能自由转动，但在分子热碰撞作用下，分子之间的相对取向可发生随机起伏的无规变化，因此作为取向平均的结果，整个介质在无外加电场作用下呈现出宏观各向同性的特点。在有外加直流电场作用下，具有永久偶极矩的极性各向异性分子（如硝基苯），可按外加直流（或低频）电场方向上作规则取向排列，使介质呈现出宏观各向异性，这就是直流（或低频）克尔（Kerr）效应。当外加电场的变化周期快于极性各向异性分子再取向所需要的有限弛豫时间时，则分子来不及跟随外电场方向的变化而改变自身的取向。

当入射为光频电场时，分子本身的永久偶极矩的大小不再重要，而它们的光场感应电偶极矩特性则显得重要。对组成液体的各向异性分子而言（包括非极性分子如二硫化碳等），它们的感应电偶极矩通常也是各向异性的。只有当分子的感应电偶极矩极大值方向与光场偏振方向一致时，光场与分子的相互作用能为最小，亦即系统最稳定。这意味着各向异性分子有按一定方式沿光场偏振方向规则取向的趋势，从而使液体介质呈现出由光场感应的各向异性，这就是液体中光频再取向克尔效应或简称光克尔效应。激光出现后，由光克尔效应导致的介质折射率的感应变化，一直是为人们熟知的研究课题之一。但长久以来，人们却忽略了在光克尔效应产生的同时，介质对入射光场的能量特性或频率特性所起的反作用影响。其中被忽略的一个重要问题是，光克尔效应的产生是否以消耗入射光场的部分能量为前提？这一问题的提出，是基于这样一种考虑：各向异性分子在作规则再取向的过程中，必须克服液体内的转动阻尼，因此需要外界供给额外能量。如果对上面问题的回答是肯定的，而同时又假设液体介质对入射光场而言是透明的（实际情况大都如此），那么由光场向透明介质的能量转移，又是通过何种物理机制来进行的？长期以来，这样两个基本问题，一直未能引起人们的足够重视。(www.xing528.com)

在另一方面，早在激光技术出现前后，光谱学家们已经发现到本章开头介绍过的所谓瑞利翼散射效应［7］。虽然从一开始，人们就把这一光谱展宽的瑞利散射效应，与组成液态散射介质的分子各向异性以及分子取向弛豫特性联系起来，但当时未能建立起一个明确的物理模型并对实验结果给出令人满意的定量解释。其症结之一，是未曾考虑到散射发生过程中所涉及的光场与分子、分子与分子间（通过热碰撞）的能量交换的细致过程；症结之二，是未能把瑞利翼散射与光频克尔效应密切联系起来综合考虑。