（光学专业论文）基于自适应脉冲整形技术飞秒cars的选择激发.pdf

华东师范大学物理系光学专业硕士毕业论文 摘要 基于自适应脉冲整形技术的选择激发是国际上近年来兴起的前沿研究领域之一。随 着飞秒激光技术的发展，飞秒c a r s 已经广泛应用在相干控制化学反应、生物显微成 像以及光谱测温等领域。但是由于飞秒激光具有较宽的频谱宽度，可以同时激发多个振 动能级，因此很难实现非共振背景信号有效去除以及相邻能级之间的选择激发。自适应 脉冲整形技术通过反馈控制，借助于遗传算法在设定空间进行的最优化搜索，能够帮助 人们找到实现特定目的的优化脉冲的形状，最后得到想要的结果。这项技术给我们提供 了一种有效的实验方法来实现飞秒c a r s 的选择激发。 本论文的主要内容包括六部分。第一部分就反斯托克斯拉曼光谱基本原理和脉冲整 形与相干控制基本概念进行了简单的介绍，并阐述了本论文的出发点和主要内容。第二 部分着重介绍了相干反斯托克斯拉曼光谱基本理论。第三部分首先介绍了相干反斯托克 斯拉曼光谱相干控制的意义、发展进程及最近研究成果。接着详细介绍了自适应脉冲整 型技术的基本实验原理和4 f 整形系统和整形器构造，最后介绍了实验中用到的两种超 快激光测量技术。从第四部分开始，着重介绍了本论文的两项主要工作。在第四部分中， 我们利用自适应反馈系统实现了苯溶液中相邻两振动能级的选择激发，并在此基础上通 过在傅立叶平面上对泵浦光的裁剪，深入分析了利用自适应脉冲整型系统进行选择激发 的控制机理。最后，根据我们实验得到的结论，提出了对算法程序进行优化的一些可行 性方案。而第五部分则主要从实验角度证实利用自适应反馈系统我们可以实现高分辨率 c a r s 信号的选择激发。该部分主要包括两个实验：第一个实验是甲醇溶液中vs ( c h 3 ) 和v a s ( c h 3 ) 的选择激发，其能级间距为1 1 6c m 一；第二个实验是苯( 9 9 2 锄4 ) 和氘代 苯( 9 4 5 锄。1 ) 混合溶液中相邻振动能级的选择激发，其能级间距仅为4 7 锄一。与我们 实验小组以前所做的二溴甲烷( 1 3 8 8c m 。1 ) 和氯仿( 1 8 8 9c m 1 ) 混合溶液中c a r s 信 号的选择激发相比较，能级间隔减小了一个数量级。最后一部分是对整个实验工作的总 结和展望。 关键词：相干反斯托克斯拉曼光谱( c a r s ) ，自适应脉冲整形技术，选择激发，遗传 算法 华东师范大学物理系光学专业硕士毕业论文 a b s t r a c t t h es e l e c t i v ee x c i t a t i o nb a s e do na d a p t i v ep u l s es h a p i n gi so n eo ft h eh o ta n d d e v e l o p i n gf i e l d s i nt h ew o r l dr e c e n t l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ff e m t o s e c o n dl a s e r t e c h n i q u e s ，f e m t o s e c o n dc a r sh a sb e e nw i d e l ya p p l i e do i lc h e m i c a lr e a c t i o nc o n t r o l ， b i o l o g i cm o l e c u l a r sm i c r o i m a g i n ga n dl o c a ls t m c t u r ef o r m a t i o na n dt e m p e r a t u r em e a s u r e d u et ot h eb r o a d b a n ds p e c t r u mo ff e m t o s e c o n dp u l s e ，i tc a ns i m u l t a n e o u s l ye x c i t em a n y v i b r a t i o n a le n e r g yl e v e l s ，i ti sd i f f i c u l tt oe l i m i n a t et h en o n r e s o n a n tb a c k g r o u n ds i g n a la n d s e l e c t i v e l ye x c i t eb e t w e e nt h en e i g h b o r i n ge n e r g y l e v e l s t h ea d a p t i v ep u l s es h a p i n g t e c h n i q u e ，p r o f i t e df r o mt h ef e e d b a c kt r a i t ，c a nh e l pp e o p l et of i n dt h ep r o p e rp u l s es h a p ef o r ag i v e ng o a la n da c h i e v et h ed e s i r a b l eo u t c o m e sb yo p t i m a ls e a r c hi nag i v e ns p a c e c o n t r o l l e db yf e e d b a c kc o n t r o lb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m t h i st e c h n i q u ep r o v i d e sa n e f f e c t u a lm e t h o di ne x p e r i m e n tf o rs e l e c t i v ee x c i t a t i o no ff s c a r s t h e r ea r es i xp a r t si nt h i st h e s i s i nt h ef i r s tp a r t , w es i m p l yi n t r o d u c et h eb a s i c c o n c e p t i o n so fc o h e r e n ta n t i s t o k e s r a m a ns p e c t r o s c o p y ( c a r s ) ，p u l s es h a p i n ga n d c o h e r e n tc o n t r o l ，a n dc l a r i f yo u rw o r k i nt h es e c o n dp a r t ，w es h o wt h eb a s i ct h e o r yo fc a r s i nt h et h i r dp a r t ，w ef i r s t l yi n t r o d u c et h es i g n i f i c a n c ea n dl a t e s td e v e l o p m e n t so fc a r s ；t h e n p r e s e n tt h eb a s i ct h e o r i e so fa d a p t i v ep u l s es h a p i n ga n d4 fp u l s es h a p i n gs e t u p ；f i n a l l y i n t r o d u c et w om e t h o d so l lu l t r a f a s tl a s e rm e a s u r e m e n ti no u re x p e r i m e n t i nt h ef o u r t hp a n w es u c c e s s f u l l ya c h i e v et h es e l e c t i v ee x c i t a t i o nf r o mb e n z e n el i q u i db ya d a p t i v ep u l s e s h a p i n gb a s e do ng e n e t i ca l g o r i t h m ，a n dt h e nt h ep h y s i c a lm e c h a n i s mf o rs e l e c t i v ee x c i t a t i o n o fr a m a nv i b r a t i o n a lm o d e si se x p e r i m e n t a l l yi n v e s t i g a t e db yt a i l o r i n gt h ep u m pp u l s ei nt h e f r e q u e n c yd o m a i n f i n a l l yw ep r o p o s es o m ef e a s i b l ep r o j e c t so nt h ep r o g r a ma c c o r d i n gt o t h er e s u l t so fo u re x p e r i m e n t s i nt h ef i f t hp a r t ，w ea c h i e v es e l e c t i v ee x c i t a t i o ni nc a r sw i t h h i g l ls p e c t r a lr e s o l u t i o nb yt w od i f f e r e n te x p e r i m e n t s t h ef i r s te x p e r i m e n t ，w er e a l i z et h e s e l e c t i v ee x c i t a t i o nb e t w e e nt h ev s ( c h 3 ) a n dv a s ( c h 3 ) i nm e t h a n o ll i q u i dw i t ht h ee n e r g y d i f f e r e n c eo f1 1 6c r n t h es e c o n de x p e r i m e n t ，w er e a l i z et h es e l e c t i v ee x c i t a t i o ni nt h e m i x t u r eo fc d - 1 6 ( 9 9 2 锄4 ) a n dc 6 d 6 ( 9 4 5c r n 。1 ) ，a n dt h e i re n e r g yd i f f e r e n c ei so n l y4 7 华东师范大学物理系光学专业硕士毕业论文 c l n l c o m p a r e dw i t ht h ep r e v i o u se x p e r i m e n t i nt h em i x t u r eo fc h 4 ( 1 3 8 8c m 1 ) a n dc h c l 3 ( 1 8 8 9c n l 1 ) ，t h ee n e r g yd i f f e r e n c er e d u c e da b o u ta l lo r d e r t h el a s tp a r ti sa c o n c l u s i o na n d e x p e c t a t i o no ft h i st h e s i s k e y w o r d s ：c o h e r e n ta n t i s t o k e s r a m a ns c a t t e r i n g ( c a r s ) ，a d a p t i v ep u l s e s h a p i n g t e c h n i q u e ，s e l e c t i v ee x c i t a t i o n ，g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) 学位论文独创性声明 本人所呈交的学位论文是我在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。据我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含其他个人已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在 文中作了明确说明并表示谢意。 作者签名： 李整 日期：趁笸：墨 学位论文使用授权声明 本人完全了解华东师范大学有关保留、使用学位论文的规定，学校有权保 留学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版。有权 将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆被查阅。有 权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索。有权将学位论文的标题和摘要 汇编出版。保密的学位论文在解密后适用本规定。 糊签名孛谘 日期：回：6 ：b 导师签 日期： 第一幸引言 第一章引言 1 1 相干反斯托克斯拉曼光谱概述 众所周知，一束光在介质中传播会发生散射，当散射光的频率与入射光相同时，被 称为瑞利散射；当散射光的频率发生变化时，就称之为拉曼散射。早在1 9 2 3 年，史 梅尔( a s m e k a l ) 从理论上预言，当频率为v 。的单色光入射到物质后，物质中的分 子会对入射光产生散射，散射光的频率为+ a v 。1 9 2 8 年印度物理学家拉曼( c v r a m a n ) 在研究苯的散射光谱时，从实验上发现了这种散射，因而称为拉曼散射。同时 期的苏联物理学家兰斯别尔格( g l a n d s b e r g ) 和曼杰尔达姆( l m a n d e l s t a m ) 在研 究石英晶体的散射光时，独立地发现了这种散射现象，因此通常也叫做联合散射光谱。 后来布拉瑟克在拍得的散射光谱中在激发线的两侧各存在一条谱线，在低的一侧波长为 一 ，称之为斯托克斯线，在激发线高频的侧的线，其频率为+ ，成为反斯 托克斯线( 图1 1 ) 。从此拉曼谱线逐渐成为一个分析物质结构的有力工具。 q一“ + “ t 哪丘 i ，瞳 射光矗射光 图1 1 拉曼散射原理图 f i g 1 1r a m a ns c a t t e r i n gp i c t u r e 由于早期受光源的限制，拉曼谱线的强度很弱，未能使之有很好的应用。直到1 9 6 0 年激光发现以后，由于激光具有高亮度、单色性好和高偏振度等优点，代替经典的汞灯 作为拉曼光谱的激发光源十分理想，使拉曼光谱得以复兴。 c a r s 是相干反斯托克斯拉曼光谱( c o h e r e n ta n t i s t o k e sr a m a ns p e c t r o s c o p y ) 的简称“1 ，是拉曼散射一种， 并与之有一定区别。它类似于一种激光的相干辐射，由 第一幸引言 介质分子内部自身的振动状态所产生的，在空间和时间上都有很强的相干性。c a r s 的 实质是一个三阶非线性过程，需要三个光子( 泵浦光、斯托克斯光和探测光) ，通常泵 浦光和探测光都来自同一个光脉冲，而斯托克斯光来自另外一个光脉冲。如图1 2 所示 为相干反斯托克斯拉曼能级图。 一。 图i 2 相干反斯托克斯拉曼散射能级图 f i g 1 2e n e r g yd i a g r a mo f c o h e r e n ta n t i - s t o k e sr a m a ns c a t t e r i n g c a r s 的发现源于1 9 6 3 年r w m i n c k 。1 等在研究气体氢、氘、甲烷中发现的共振四 光子相互作用效应。在实验中，他们将脉冲激光聚焦于样品池中，结果发现斯托克斯和 反斯托克斯线的强度比用普通光源所得到的谱线在强度上高出许多。他们认为，反斯托 克斯线的强度是由于两个入射激光束的光子和一个由受激拉曼效应产生的斯托克斯光 子与介质相互作用而产生了第四个光子。在1 9 6 5 年，p d m a k e r 等人用红宝石 激光器激发苯获得的受激拉曼散射光作为斯托克斯光，在l i f 、n a c i 、c b h b 、c d s 等样 品中观察到了c a r s 。在这项工作的基础上，m a k e r 和t e r h u n e 建立了以介质的非线性 极化理论和光的电磁波理论为基础的c a r s 基础理论，从此c a r s 在科学研究各个领域广 泛地得到研究与应用。该技术的出现引起了人们在高分辨率分子振动光谱和温度测试技 术方面应用的浓厚兴趣。在这项技术出现以前，分子振动光谱的分辨率主要取决于仪器 的分辨率，需要采用具有高分辨率的大型光谱仪，实验测试相当复杂。c a r s 的出现给 高分辨振动光谱研究提供了有力的手段。c a r s 的另一个研究范畴气相c a r s ，被广泛应 用于燃烧体系中温度和浓度的测量，对于高温高压体系的c a r s 技术研究和诊断已成为 燃烧体系的一种重要探测手段。7 0 年代以来，随着可调谐燃料激光器和大功率峰值激 光器的发展，这种效应的研究得到了巨大的发展“。直到现在，c a r s 技术仍然随着理 论的发展和软件、硬件技术的成熟而不断进步。特别是近几年来，随着激光向更宽带宽 2 第一幸引言 发展，飞秒激光的不断进步变革，也不断影响着c a r s 在生物显微成像方面的广泛应用 m 。 1 2 脉冲整形与相干控制概述 所谓脉冲整形，从广义上讲，主要是包括对于脉冲幅度、相位、频率等参量或者对 脉冲的分裂与整合的控制。复杂的脉冲整形技术其目标应该根据需要，通过整形器件同 时实现对于上述多个参量的控制，换句话说也就是我们需要什么样的脉冲的形状都能通 过整形技术达到这个目的。脉冲的强度和相位在频域和时域上的表示分别如图1 3 ( a ) 和图1 3 ( b ) 所示： 图1 3 脉冲频域组成( a ) 脉冲时域组成图( b ) f i g 1 3t h ef r e q u e n c ys p e c t r u mf o rl a rp u l s e ( a ) a n dt h et e m p o r a ls p e c t r u mf o rl a s e rp u l s e ( b ) 在频域和时域中我们可以分别用式1 1 和1 2 来表示光脉冲 e ( c o ) s ( n ，) p “9 ( 1 1 ) e ( t ) j ( t ) p “ ( 1 2 ) 其中，代表频率，9 表示在频域内的相位，t 表示时间，妒表示光脉冲在时域内的相 位。只要我们改变其中任何一个量都能够改变脉冲的形状。 超短脉冲整形的方法可以分为被动和主动两大类。被动式技术中通常是基于光栅 对、棱镜对、啁啾镜以及它们之问的组合。这些元件的物理和光学性质是固定不变的， ；童ii；l 第一章引言 因此每个元件进行色散补偿的能力有限。更主要的缺点是不同阶次的相位是互相独立 的，因此对于任意相位分布，要想很好的色散补偿比较困难。正因为这个原因被动式技 术通常被用在腔内调制。近年来，人们提出很多自适应的主动式脉冲整形方法。其中比 较有代表性的有基于液晶空间光调制器原理的，基于声光调制原理的和基于机械式可变 形镜原理的脉冲整形技术。这些技术将传统的光学方法和计算机反馈控制联系在一起， 实现对脉冲频谱相位的自适应控制，能够较大范围地补偿脉冲色散，获得很好的光束质 量。人们常常在光路中采用主动式脉冲整形方法来达到超短脉冲的色散补偿和脉冲整形 的目的。 研究者们已经实现了多种超短脉冲整形的方法。目前，普遍运用的是“傅立叶脉冲 整形”方法。这种方法主要是将飞秒脉冲的各频谱分量在空间分开以便于控制脉冲中各 个频率成分的强度或者相位，然后经过准直后就能在时域上得到理想的光脉冲了。最早 是利用固定的强度或相位掩模板在皮秒和飞秒上实现的。后来由于高质量的液晶空间光 调制器的产生人们可以对光的幅度和相位进行快速而准确地控制”。此外利用声光调 制器和变形镜进行脉冲整形的装置也常被采用“”。可以这么说，超短脉冲整形技术日新 月异的进展将推动着量子相干控制及相关科学的发展。 量子相干控制是国际上近年来兴起的一个前沿研究领域。它指的是处于一个已知的 初始状态( 初始波函数、初始粒子数分布等) 系统，通过特定的激光脉冲来控制某一个 动力学行为或过程，最终实现人们所需要的目标状态。该技术在相干控制化学反应、强 激光控制电离、高次谐波和阿秒的产生及相干控制量子态转移并进而实现量子信息的处 理和存储等方面都有着非常重要的应用价值。 量子相干控制的控制方法经历了从早期为实现简单控制目标而采用的开环控制技 术发展到近期的闭环反馈优化控制的过程。1 9 9 3 年s w a r r e n 等人“”在s c i e n c e 上发 表文章对量子开环控制方法进行了总结并结合当时在激光产生方面的突破提出了利用 激光对量子系统进行开环控制的一些具体方法。这可以看成是对量子开环控制的一篇总 结性文章。利用对分子系统的开环控制人们可以在化学上成功的实现一些简单的控制目 标，但对于比较复杂的量子系统开环控制很难满足人们的要求。这是因为要成功的设计 开环控制光场函数( 幻要满足以下条件：一、为了准确的描述量子系统的状态，系 统的哈密顿量届必须要被极为准确的测量出来；二、为了求出系统的控制光场函数 占，多维薛定谔方程必须被准确的求解：三、系统的控制光场函数f ( 幻必须可以 4 第一幸弓i言 在实验室的条件下被精确的实现。但是除了一些极简单的量子系统外，以上三条假设在 实际中都很难被满足。所以从1 9 9 3 年以后人们纷纷把研究的重点转向了闭环反馈控制 的方向。首先，在利用自学习策略对量子系统控制的过程中，遗传算法是被最早研究和 最广泛应用的一种算法。1 9 9 2 年r s j u d s o n 和h r a b i t z “4 提出了量子系统的遗传 控制算法分析了算法中应该利用遗传压力来阻止控制场中出现对控制输出结果没有影 响的量子控制转化并建立模型来具体说明遗传压力对具体控制系统的影响，这就为利用 遗传算法来对量子系统进行控制奠定了理论基础。随后1 9 9 7 年c j b a r d e e n 等人“” 利用大约1 0 0 代5 0 个种群来对一个具体的量子系统进行自学习并最终获得了很好的结 果。1 9 9 8 年a a s s i o n 等人“”在s c i e n c e 上发表文章也通过遗传算法利用相当多的参 量对量子系统进行自学习控制试验同样获得了很好的结果。尽管文章中未能严格的从理 论上解释这种结果但是它分析可能是众多变量相互作用的结果。自学习算法的反馈控制 是对复杂系统进行控制的常用方法之一。量子系统反馈控制的基本思想与经典优化反馈 控制理论相同，即在量子系统的控制过程中被控量子的状态不断的被测量并被反馈到控 制器中，控制器再根据量子此时的状态及时的寻找并调整控制函数以使量子始终保持在 期望的轨道上。最近几年研究者们采用了一种用计算机程序控制的液晶空间光学调制器 ( s l m ，s p a t i a ll i g h tm o d u l a t o r ) 来对激光脉冲振幅( 强度) 和相位分布进行控制。该程 序的指令信号是特定产物的强度信号。这是一种通过“遗传”法自学习的过程，也是一 种计算机自解薛定谔方程的过程。经过一代代的遗传控制之后，最终得到最佳的振幅和 相位参数。值得一提的是过去十几年中r a b i t z 不断地发展一种适合于“剪裁”分子的 最佳激光脉冲的理论。其最终目的是用这种激光脉冲操纵分子，使之最有效地进行特定 的化学反应。现在尽管人们并不知道解的具体参数，但由于有了空间液晶调制器装置， 计算机通过反馈信号自己可以解出薛定谔方程。于是这两种控制反应的理论体系，即量 子相干控制理论和激光脉冲剪裁的理论逐渐融合在一起了。 1 3 本论文出发点及主要内容 c a r s 与量子相干控制相结合是近几年兴起一个年轻课题。针对相干控制能成功调控 光与物质相互作用的特点，c a r s 特别是飞秒c a r s ( f s c a r s ) 已经能够通过相干控制( 开 环控制系统) 对一些液体和固体材料进行背景信号的去除，实现单物质中两邻能级的选 5 第一幸引言 择性激发。目前在国际上在基于自适应反馈系统c a r s 的选择激发领域的实验研究已经达 到了一定的阶段，但是对于f s c a r s 选择激发的物理机制仍然没有给出一个明确的解释； 而在国内，此方面的研究较之甚少。因此，自适应反馈系统在飞秒相干反斯托克斯拉曼 光谱( f s c a r s ) 方面的研究具有重要的学术意义，也是本论文的根本出发点。 本论文的创新之处是在以往选择激发的基础上，我们对部分频段的泵浦光进行了有 效的裁减，并据此深入探究了分子中相邻振动能级对应c a r s 信号对泵浦光频率的依赖关 系。根据实验所获得的信息，我们对优化整形脉冲形状的特性进行了深入的分析了，得 出了脉冲整形相干控制法方法的控制机理。这项研究对于进一步提高自适应整形系统的 效率，遗传算法程序的优化具有指导性意义。另外，通过自适应整形系统，我们在苯 ( 9 9 2 c m 4 ) 和氘代苯( 9 4 5 c m 1 ) 混合溶液中成功实现了相距4 7 c m 4 两拉曼能级飞秒 c a r s 的相干控制。该项研究是将相干控制应用于获得高分辨飞秒c a r s 选择激发的又一项 新的研究成果。 本论文主要包括两项实验成果。首先，我们利用自适应反馈系统实现了苯溶液中相 邻两振动能级的选择激发，并在此基础上通过在傅立叶平面上对泵浦光的裁剪，深入分 析了利用自适应脉冲整型系统进行选择激发的控制机理。最后，根据我们实验得到的结 论，提出了对算法程序迸行优化的一些可行性方案。其次。从实验角度证实利用自适应 反馈系统我们可以实现高分辨率c a r s 信号的选择激发。该部分又包括两个实验：第一个 实验是甲醇溶液中v 。( c h ，) 和v 。( c h 。) 的选择激发，其能级间距为1 1 6c m 一；第二个实验 是苯( 9 9 2c m l ) 和氘代苯( 9 4 5c m - ) 混合溶液中相邻振动能级的选择激发，其能级间 距仅为4 7c m - 1 。与我们实验小组以前所做的二溴甲烷( 1 3 8 8c m - 1 ) 和氯仿( 1 8 8 9c m 。1 ) 混合溶液中c a r s 信号的选择激发相比较，能级间隔减小了一个数量级。 1 4 本章小结 本章主要概述了相干反斯托克斯拉曼光谱的基本原理和发展进程、脉冲整形的基本 概念与量子相干控制的基本思想。最后论述了本论文的出发点及主要内容。 6 第一章 引 言 参考文献 【1 】郑顺旋1 9 8 5 激光喇曼光谱学上海科学技术出版社 【2 】r w , m i n c ka n dr m t e r b u n e1 9 6 3a p p l p h y s 3 ( 1 0 ) 1 8 1 【3 】p d m a k e r , r w t e r h u n e1 9 6 5p h y s r e v 1 3 7a s 0 1 【4 w r a d o1 9 6 7 a p p l p h y s l e t t1 11 2 3 【5 】虞海平，金耀根，周萍，1 9 9 8 光学学报87 7 6 【6 】a z u m b u s c h ，g r h o l t o m , a n dx s u n n e yx i e1 9 9 9p h y sr e vl e t t 8 2 ( 2 0 ) 4 1 4 2 【刀c ts t o b r a w a ，m h a c k e r , t f e u r e r , d z e i d l e r , m m o t z k u s ，a n der e i c h e l2 0 0 1a p p j p h y s b7 26 2 7 1 8 】九m w e i n e r , d e l e a k d ，d h r e i t z ，a n de gp a e k1 9 9 2i e e ej q u a n t u me l e c t r o n 2 82 2 5 1 【9 】m w e f e r sa n di c n e l s o n1 9 9 3o p t l e t t 1 82 0 3 2 【1 0 】p t o u m o i s1 9 9 7o p t c o m m u n 1 4 02 4 5 【1 1 】w sw a r r e n ，h r a b i t z ，m d a h l e h1 9 9 3s c i e n c e2 5 91 5 8 1 【1 2 1 r s j u s o n a n dh r a b i t z1 9 9 2p h y s r e v l e t t 6 81 5 0 0 【1 3 c j b a r d e e n , vvy a k o v l e v , kr w i l s o n ，s d c a q n t e r , p mw e b e r , w s w a r r e n1 9 9 7 c h e m p h y sl e t t 2 8 01 5 1 【1 4 】aa s s i o n ，m b a u m e r tb e r g t ，t b r i x n e r , b k i e f e r , vs e y f r i e d ，m s t r e h l ea n dg g e r b e r1 9 9 7 s c i e n c e2 犯9 1 9 7 g - = 幸相干反斯托克新拉曼光基本理论 第二章相干反斯托克斯拉曼光谱基本理论 2 1 相干反斯托克斯拉曼光谱的理论解释 c a r s 理论是比较简单的，可用介质的非线性极化理论和光的电磁波理论加以描述。 如果入射光为甜。和q ，输出场的波函数可以表示为“3 ： 【v 2 + 等2 巳) 慨- 一4 刀t 广o zp ( 他) ( 2 1 ) 其中p 却( ) ；z 3 ( 心- q + q 一哆) ：局( q ) 巨( q ) ：( ) 忽略泵浦损耗，可以得到厚为f 的介质中产生强度l 为： 吒e2 2 吒a z o f 谢m 盯害 2 ， 船- p 。- z 3 ：州1 e 2 a k j a k l a k 一乞一( 2 k l k 2 ) 束光是共线相互作用的。c a r s 的输出强度正比于j 格1 2 ，如果在一个相当窄的范围里进 行频率扫描，l 相对于泵浦频率的变化是直接受到也共振色散的影响。也可以分解 成共振部分嫦和非共振部分z 船。嚣仅在q 一吐一处发生共振，并且可以写成形 式为： 。百i a 丽f ( 2 3 ) 因此c a r s 的输出光谱可以表示为： 8 第二幸相干反斯托克斯担曼光基本理论 2 。2 相干反斯托克斯拉曼光谱相位匹配方式 ( 2 4 ) 由于c a r s 是一种四波混频过程，其产生于作用介质的入射激光重叠区域。激光束 波矢( 即传播方向) 的选择，首先应该满足相位匹配条件，l i p k , , - 2 k p k 。除去在小 色散的气体材料中可采用共线配置外，其他凝聚态介质都要求k 和t ，在空间成一定夹 角。其次，激光束的安排还取决于c a r s 信号测量所要求的空间分辨率。一般有如下几 种配置：共线c a r s 、两束光c a r s 、b o x c a r s 以及折叠式b o x c a r s 删，如图2 1 所示。 两束光c a r s 装置是最常用和最简单的，两束入射光与产生的c a r s 信号光都在一个平面 中，其夹角一般为1 妒，空间分辨率可以达到i m m 。b o x c a r 配置中采用三束入射光， 即频率为的泵浦光分成两束以不同的角度入射到待测样品，其空间分辨率优于l m m 。 而在折叠式b o x c a r s 中，两束q 光组成的平面与q ，q 光组成的平面相正交，在这种 配置中，c a r s 信号几乎不受光束的干扰，特别适用于小信号及低频移的振动模的研 究测量。 乞 = j 2 = = 字 七jk a ) ( c ) i b ) 图2 i c a r s 相位匹配方式，a ：共线情况：b ：普通方式；c ：b o x c a r sd ：折叠式b o x c a r s f i g z 1 c a r sp h a s e m a t c h i n ga p p r o a c h e s a ：c o l l i n e a r ；b ：g e n e r m ；c ：b o x c a r sd ：r e p l i c a t e db o x c a r s 9 第二章 相千反斯托免斯拉曼光基奉理论 c a r s 信号具有以下特点： a 好的方向性：由于c a r s 信号来之于相干混合，故信号不像自发拉曼散射那样在 轨立体角内发射，而在某个有相位匹配条件决定的方向出射，并且具有与激光束同样 小的发散角。相位匹配条件在大色散的凝聚态材料，如液体及固体中就特别重要，两柬 激光需要以特定角度在介质中相交：而在气体中，由于其色散很小，仍可采用共线装置。 b 强的抗荧光干扰性：由于c a r s 信号处在泵浦光的高频边，如不存在多光子激发， 则入射激光( q 及q 光束) 均不会在反斯托克斯频率q 处产生荧光信号，这就使得所 测量到的c a r s 谱免去一般拉曼谱测量中常遇见的荧光干扰，具有极高的信噪比。这对 于那些具有强荧光发射的材料就特别有意义。而c s r s 信号可能处于荧光发射区域，在 抗荧光干扰上远不如c a r s 信号好。 c 共振效应：c a r s 过程利用了介质中的拉曼共振。此外，入射激光频率仍然可以 调节与介质的电子跃迁相共振，这种既有电子能级共振又有振动能级共振的c a r s 过程， 即是共振c a r s 。它会更大地提高c a r s 信号的强度。 d 偏振特性：由于c a r s 过程是一种三阶非线性光学混频过程，其出射信号的偏振 特性与入射激光的偏振特性以及介质的对称性密切有关。这种性质可以用来进一步抑制 背景干扰，以提高c a r s 信号测量的信噪比。 2 3c a r s 的非共振背景及解决方法 c a r s 是一种四波混频过程。在泵浦光与探测光都由一激光脉冲提供时，根据前 节公式2 4 ，我们得到c a r s 的三阶极化系数z 是： 户。面耘+ 椤+ 鑫 ( 2 5 ) 方程2 5 中的第一项是共振的振动部分，即图2 2 ( a ) ；第二项是非共振部分，与 拉曼频移有关( 图2 2 ( b ) ) ；第三项是由双光子电子共振造成的非共振部分增强( 图 2 2 ( c ) ) 。c a r s 信号的能级转移中包含的各种信号成分，如图2 2 所示。 1 0 第；幸相干反斯托克斯拉曼光基本理论 i 士c t r o n i e a d y c x c a a t e ds t a t e ( ) r o 咖i( 功n o m e s o n a m( c ) t w o p h o t o n 蛐h c d c o n u 玉u f i o nc o n 白u t 0 nn o 叶黯o 叫lc o f l t r i b u t o n 图2 2 ：( a ) 共振c a r s ，( b ) 非共振c a r s ，( c ) 与激发电子态相联系，由泵浦光双光子共振增强 的电子部分 f i g 2 2 ( a ) r e s o n a n tc a r s ( b ) n o n r e s o n a n tc a r s f r o ma l le l e c t r o n i cc o n t r i b u t i o n ( c ) e l e c t r o n i c c o n t r i b u t i o ne n h a n c e db yat w o - p h o t o nr e s o n a n c eo ft h ep u m pb e a ma s s o c i a t e dw i t ha ne x c i t e de l e c t r o n i c s t a i e 为了去除其中的非共振信号。人们采用了各种方法加以克服。目前比较成熟的方案 就是在入射光场中加入偏振器件，通过改变光场的偏振度来促使非共振部分信号的有效 去除嘲。如图2 3 所示，主要是双光场情况下的偏振设置，以及信号的检出方式。 e a n a l y z e r 夕 l 、参每f y 0 e 图2 3 泵浦( 毛) 和斯托克斯( e 2 ) 场的偏振矢量图。共振( p 3 8 ) 和非共振( p 【3 ”) c a r s 信号以及偏振片 f i g 2 3p o l a r i z a t i o nv e c t o r sf o r t h ep u m p ( 巨) a n d t h es t o k e s ( e 2 ) f i e l d s ，t h ev i b r a t i o n a l l y r e s o n a n t ( p c 3 。1a n dn o n r e s o n a n t ( p 3 胂) c a r ss i g n a l s ，a n d t h e p o l a r i z e ra n a l y z e r 这一方法主要是基于三阶极化中的非共振( p ( 3 ) ”) 和共振( p ( 轴) 部分不同的极化特 1 1 第= 幸相干反斯托克斯拉曼光基本理论 点“4 。如果使泵浦光和斯托克斯光的线性偏振成一定角度毋的话( p ( 3 ”和尸p 肛的偏振 方向分别为a - t a n 4 ( n ，t a n 驴) ，卢一t a n - 1 ( 风t a n 妒) ) ，在实验中加入检偏器就可以去除 非共振背景的线性偏振。 2 4 本章小结 本章主要论述了相干反斯托克斯拉曼光谱基本理论。其中主要包括三部分：相干反 斯托克斯拉曼光谱的理论解释、相干反斯托克斯拉曼光谱相位匹配方式以及c a r s 的非 共振背景及解决方法。 第二幸 相干反斯托克斯拉曼光基本理论 参考文献 【1 】yr s h e n1 9 8 4t h ep r i n c i p l e so f n o n l i n e a ro p t i c s ，j o h nw i l e y s o n s 2 】钱士雄王恭明2 0 0 1 非线性光学复旦大学出版社p 1 1 2 【3 】n d u d o v i c h ，d o r o na n dy s i l b e r b e r g2 0 0 3j c h e m p h y s 1 1 8 ( 2 0 ) 9 2 0 8 【4 】j a s h i r l e y , r j h a u a n da n da c e c k b r e t h1 9 8 0o p t l e t l5 ( 9 ) 3 8 0 5 ”x c h e n ga n dx s u n n e yx i e2 0 0 4j p h y s c h e m b1 0 88 2 7 【6 】j x c h e n g , l d b o o ka n dx u n n e yx i e2 0 0 1o p t l e t t 2 6 ( 1 7 ) 1 3 4 1 阴c l a r krjh ，h e s t e rre1 9 8 7a d v a n c e si nn o n - l i n e a rs p e c t r o s c o p y , a d v a n c e si ns p e c t r o s c o p y , v o l i s , f f o h nw i l e y s o n s 第三章相干反斯托克斯拉曼光谱的相干控制概迷 第三章相干反斯托克斯拉曼光谱的相干控制概述 3 1 对相干反斯托克斯拉曼光谱进行相干控制的研究意义 在前一节中我们讲到了采用在光路中引入起偏、检偏装置实现c a r s 信号中的非共 振背景信号的去除。虽然这一方法在实际操作过程中比较容易实现，但是其在彻底去除 背景干扰的方面还不够完善，而且这一方法也需要反复尝试角度。此外随着激光技术的 不断发展，一些超快超短激光( 例如飞秒激光) 的光谱范围已经达到f w h m 5 0 h m ，甚 至更高。因此在c a r s 领域也逐渐出现了以飞秒激光作为光源的飞秒c a r s ( f s c a r s ) 。 在f s - c a r s 中，由于采用较宽带宽的脉冲作为激发光，必然会导致研究物质中的许多能 级被同时激发，这必然给研究工作带来新的障碍。值得一提的是，这种与激发光本身 的特性有关的缺点，是不能单靠前面所提出的偏振结构而得以完全解决的。我们必须要 在脉冲自身的性质，诸如相位等参数中加以控制。因此如何通过更简单的方式在激发光 中加入偏振、相位、强度等元素的调控成了人们不断研究的课题。量子相干控制的建立 正好迎合这一契机，使得相干反斯托克斯拉曼光谱也向更加简便、快捷的相干控制领域 发展。 3 2 相干反斯托克斯拉曼光谱( c a r s ) 相干控制的发展进程及最新研究进展 3 2 1c a r s 相干控制的发展进程 相干控制技术是一种基于量子理论的控制技术，在光与物质相互作用的过程中可以 进行有效的干预。目前相干控制技术在相应的化学反应、强激光控制电离、高次谐波和 阿秒的产生及相干控制量子态转移并进而实现量子信息的处理和存储等方面有非常重 要的应用价值。其基本原理就是将处于已知初始状态的一个( 初始波函数、初始粒子数 分布等) 系统，通过特定的激光脉冲来控制某一动力学行为或过程，最终实现人们所需 要的目标状态。过去的1 0