分子及晶格相干振動超快過程的飛秒CARS光譜研究.pdf

1、超短脈沖激光技術和時間分辨光譜技術的發(fā)展使得人們可以在超快時間尺度上獲取無序分子材料中分子相干振動動力學及有序晶體材料中晶格相干振動(即相干聲子)動力學的信息。對分子及晶格相干振動動力學的研究在許多方面都有著重要的價值,比如研究物質中各種元激發(fā)之間的相互作用;監(jiān)控化學反應過程;研究分子及聲子所處環(huán)境的變化等。飛秒時間分辨相干反斯托克斯拉曼散射(飛秒TR-CARS)光譜技術是以一種既能研究電子基態(tài)分子動力學又能研究電子激發(fā)態(tài)分子動力學的有

2、力工具,而且已經被用于研究幾種納米晶體材料中相干聲子動力學。飛秒TR-CARS技術的理論和實驗研究已經取得了眾多成果,但也存在著很多問題,比如其機理研究還不夠系統和深入,實驗研究還存在一定的狹隘性。本論文對飛秒TR-CARS技術進行了深入的理論分析,搭建了飛秒TR-CARS光譜實驗系統,將寬譜帶的超連續(xù)白光用作斯托克斯光,利用超連續(xù)白光的啁啾特性來實現對不同頻率振動模式的選擇激發(fā),避免了采用復雜的激光系統。研究了無序分子材料甲苯和PVK

3、中電子基態(tài)分子相干振動動力學以及有序晶體材料藍寶石中相干聲子動力學。
　　目前,人們對飛秒TR-CARS技術的理論分析還不夠深入,現存的理論模型還不夠完善,對一些實驗結果的模擬和解釋尚存在一定困難。本文利用半經典理論分析方法深入分析了飛秒TR-CARS過程的機理,結合飛秒激光脈沖的特點,經過系統的公式推導,建立了利用飛秒 TR-CARS技術激發(fā)并探測相干振動的理論模型,就飛秒TR-CARS實驗中經常出現的量子拍頻信號進行了理論解釋

4、,得到了飛秒CARS信號及量子拍頻信號隨探測脈沖相對同步的泵浦/斯托克斯脈沖對的延遲時間演變的理論公式,為合理分析和解釋實驗結果、獲得關于拉曼模式振動動力學的信息提供了重要的理論依據。
　　在分子振動動力學研究領域,對振動模式之間相干耦合問題的研究還存在很多不足,這影響了分子動力學的全面發(fā)展。本文利用飛秒TR-CARS光譜技術,以小分子材料甲苯液體和高分子聚合物材料PVK固態(tài)薄膜為研究對象,研究了電子基態(tài)分子振動動力學,選擇激發(fā)并

5、探測了高頻振動區(qū)3000cm-1左右的C-H伸縮振動模式,在兩種樣品的飛秒TR-CARS信號中都觀察到了振動模式之間相干耦合引起的量子拍頻現象。利用建立的理論模型對實驗結果進行了分析和解釋,并對動力學曲線進行了理論擬合,得到了受激振動模式的振動動力學信息,并表明了分子中不同位置處同種化學鍵的振動模式之間可以發(fā)生相干耦合,這對深入理解量子相干并發(fā)展量子相干技術具有重要意義。
　　對晶體中聲子的研究是固體物理學中一項重要的課題,國內外

6、利用飛秒TR-CARS技術對塊狀晶體中相干聲子動力學的研究還未見報道,對相干聲子基礎研究的缺乏制約了其應用研究的發(fā)展。本文利用飛秒TR-CARS光譜技術研究了塊狀藍寶石晶體中相干聲子動力學,首先同時激發(fā)并探測了藍寶石晶體中300～600cm-1范圍內的多個聲子模式,觀察到了多個模式相干耦合的量子拍頻,又選擇激發(fā)并探測了較低頻的379cm-1和418cm-1聲子模式,通過理論擬合獲得了這兩個模式的動力學信息。此項工作對于豐富人們對相干聲子

7、的認識,發(fā)展相關領域的應用研究具有重要意義。
　　缺陷對晶體的許多性質都有著重要的影響,因此發(fā)展對晶體缺陷的無損檢測技術是非常必要的。晶體中缺陷的存在會影響聲子的動力學行為,本文對經不同輻照劑量γ射線輻照過的藍寶石晶體中較高頻的645cm-1和750cm-1聲子模式進行了選擇激發(fā)和探測,研究了藍寶石晶體中缺陷對相干聲子動力學參數的影響,發(fā)現兩種模式相干聲子的失相時間都隨著射線輻照劑量的增加而減小,這是由于隨著γ射線輻照劑量的增加使