5.5节讨论过由双光束差频拉曼共振导致的介质折射率耦合变化行为,其突出特点是其中一束光经历的折射率变化量的大小可由另一束光的光强所决定。如果两入射光中一束光很强,另一束光较弱,则前者对后者的折射率变化产生主要影响;在前者光强给定的条件下,这种影响的大小依赖于两光束频差相对于介质拉曼共振的偏离程度。因此,在调谐两光束频差的同时,扫描记录较弱光束所经历的折射率大小变化,则在原则上可测出介质样品的拉曼光谱特性。实际上,通常让较弱的(探测)光束取线偏振状态,而较强的(泵浦)光束取与前者成45°方向的线偏振或者椭圆偏振状态入射;由后者在各向同性拉曼介质内产生折射率之双折射式变化,从而使探测光束的偏振态变化为椭圆偏振,探测光偏振态的这种感应变化,可通过一个正交检偏器加以检测。用这种借偏振变化间接测量介质拉曼光谱特性的效应,称为拉曼感应克尔效应光谱学(RIKES)效应[69,70]。
可用类似于图9-14的光路装置来进行RIKES的实验测量。此时,仍需要两个单色相干光束,其中一个为频率可调谐,因无相位匹配要求,故两光束可以成任意微小角度重合入射到被测拉曼介质中。
假设频率为ω1的弱探测光和频率为ω2的强泵浦光沿z轴方向传播,前者沿x轴线偏振,后者沿与x轴成45°方向线偏振,或者为椭圆偏振。则泵浦光产生的折射率感应变化,将使得探测光在经过拉曼介质后出现沿y轴方向上的偏振分量,该分量可在通过一个按y轴取向的检偏器后加以检测。在这样一种安排下,参与作用过程的不为零的三阶非线性电极化率张量元只有两个(参见附录6),而对探测光束沿y轴方向上的偏振分量有所贡献的非线性电极化分量为[70,71]
式中,E2x和E2y为泵浦光场沿两坐标轴的偏振分量,而E1x为探测光场初始偏振分量。
如果泵浦光沿与x轴成45°方向线偏振入射,有E2x=E2y,则可进一步写出与式(9-52)相类似的信号光强的表示式:
式中的三阶电极化率张量元均包含两部分:实数的非共振贡献和复数的拉曼共振贡献。在此种偏振安排下,与CARS情况相似,可在最后得到的拉曼光谱扫描曲线中出现左右不对称的分布。
如果泵浦光以圆偏振状态入射,有E2x=±iE2y,则透过正交检偏器后的信号光强为[71](www.xing528.com)
在这种偏振安排下,上式中两项张量元的非共振贡献(它们与坐标轴无关)部分彼此抵消,因此可观察到左右对称的光谱分布。
进一步,如果泵浦光以椭圆偏振状态入射,则结果应处于上述两种情况之间。
图9-17为采用RIKES方法并在两种不同泵浦光偏振状态安排下,经过苯样品和一个正交检偏器后,探测光信号相对强度作为拉曼共振调谐函数的测量曲线,两光束差频调谐中心频率对应苯992 cm-1拉曼振动模[70]。图中I⊥(ω1)为透过样品及一个正交检偏振棱镜后的探测光信号光强,I(ω1),I(ω2)分别为入射的探测光强与泵浦光强。该实验中,采用波长为555 nm、线宽为0.01 cm-1的激光束为探测光,而以波长为587 nm、线宽为0.65 cm-1的激光束为泵浦光。该测量结果的光谱分辨率主要由泵浦光线宽所限定。
RIKES分析方法的主要特点是:①不需要相位匹配,故对入射光束角度无严格要求,在采用小角度交叉入射情况下,容易使信号光束与泵浦光束在空间上分离开来;②在两入射光的偏振状态以及正交检偏器取向做适当安排的前提下,可有效消除非共振贡献所造成的背底干扰;③可用来研究非共振项中电子贡献与分子再取向贡献的相对比重。RIKES方法的另一个重要意义是,它为本章后面将要介绍的非线性偏振光谱分析术,提供了以偏振测量为基础的新光谱分析方法的成功先例。
图9-17 苯在Δωr≈992 cm-1附近的RIKES光谱测量曲线[70]
(a)泵浦光沿与探测光成45°方向线偏振;
(b)泵浦光为圆偏振
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