Forțat Raman fenomen
Raman împrăștiind [1] partea Stokes.
Lăsați fasciculul de lumină să cadă pe un mediu transparent care nu conține nici o incluziune de corpuri străine și este curățat temeinic. Chiar și la frecvența maximă posibilă, lumina fasciculului este împrăștiată în toate direcțiile, deși foarte slabă. Împrăștierea are loc atât în gaze, cât și în corpuri lichide și solide. În gaze, împrăștierea are loc în principal pe atomi și molecule, în lichide și cristale, pe fluctuațiile și neomogenitățile mediului. În lumina împrăștiată există valuri de aceleași lungimi ca și în incident, dar cu intensități variate, în funcție de lungimea de undă. Această împrăștiere este numită împrăștiere Rayleigh pe numele lui Rayleigh. În plus față de împrăștierea luminii cu aceeași lungime de undă, o luminiscență slabă, cu o lungime de undă mai mare decât incidentul, se observă împrăștiere Raman. Mecanismul acestui fenomen poate fi explicat pe baza atât a teoriei cuantice, cât și a teoriei undelor clasice. Descrierea cuantică a acestui fenomen pare foarte simplă.
Lăsați radiația cuantică
) este împrăștiată de o moleculă care este în stare de bază cu energie
incitându-l la una dintre tipurile posibile de oscilații cu o frecvență rezonantă
. Ca rezultat, cuantumul împrăștiat va avea o energie mai mică
vă permite să calculați nivelurile vibraționale
Mall-Kula. Lumina împrăștiată are o frecvență
, frecvența mai mică a luminii incidente
. În consecință, liniile Raman sunt linii Stokes. Imprastierea pe o molecula deja excitat este putin probabil, deoarece linii cu o frecventa mai mare
, adică anti-Stokes, au o intensitate atât de mică, încât sunt de obicei invizibile. Ing-intensitate a liniilor Raman sunt calculate pe baza probabilității tranzițiilor corespunzătoare pe unitatea de timp sau de energie, mai bine-Hamiltoniene Interac-interacțiunea radiațiilor cu molecule sau funcțiile de undă ale celor trei stări ale moleculei: inițială, intermediară (după absorbția unui foton
) și final (după emiterea unui cuantum
).
Mecanismul de undă al împrăștierii Raman este în interacțiunea unei molecule capabile de o oscilație de rezonanță definită cu o frecvență
(sau la mai multe astfel de oscilații), cu unde incidente și împrăștiate. Fluctuația în forma Shem mai simplă moleculă poate fi reprezentată ca un punct de oscilație cu de coordonate x (punctul este unul dintre atomii moleculei, având o masă m), în coeficientul de amortizare și forța elastică R
, care returnează punctul în poziția de echilibru. Sub influența forței periodice externe
, care apare ca urmare a interacțiunii cu un câmp aleator al valului E, se creează o mișcare oscilantă, care este descrisă de ecuația
Este ușor să arătați că pentru o frecvență rezonantă
soluția acestei ecuații este funcția
Forța F poate fi calculată din energia de interacțiune a momentului indus al moleculei aE cu câmpul undei
Fig.1. Schema vectorială a împrăștierii Raman stimulată ca proces de patru fotoni:
.
Ambele emisii, atât Stokes, cât și anti-Stokes, sunt îndreptate.
leniyu. Situația este diferită odată cu împrăștierea anti-Stokes, care este descrisă de expresia (13). Dacă este condiție
Sosirea constantă a energiei în valul anti-Stokes
vor fi garantate numai dacă
Intensitatea liniei anti-Stokes atinge un maxim pentru
; direcția emisiei sale este determinată de egalitate (14).
Proprietatea surprinzătoare a radiației anti-Stokes, care rezultă din expresia (14), este faptul că emisia are loc numai într-o anumită direcție, adică la un unghi
, adică, în direcția luminii incidente. Acest lucru este arătat în Fig. Wave vector
are o valoare egală cu
Fig. 2. Imprastierea Raman forțată în nitrobenzen.
Se observă dispersarea în partea anti-Stokes sub forma unor inele concentrice care înconjoară fasciculul de lumină laser. Inelele ulterioare corespund împrăștierii cu o frecvență mai mare (lungime de undă mai mică). Distracția lui Stokes are direcții diferite, dar cea mai mare intensitate a luminii apare pe direcția fasciculului incident.
instalat perpendicular pe direcția fasciculului incident, este vizibil un cerc de culoare luminos. Experiența arată că, în cazul în care celula cu un lichid, de exemplu, nitrobenzen, plasat între oglinzi sferice într-un laser Fabry-Perot rubin, împrăștierea Stokes va avea loc în regiunea infraroșu. Distribuția nu este caracteristică unei direcții precise; practic este direcția fasciculului care se încadrează, în timp ce împrăștierea anti-Stokes formează o serie de conuri de lumină cu culori, de la roșu pentru a merge-lubogo. Cea mai apropiată corespunde frecvenței
,
Mecanismul împrăștierii Raman în partea anti-Stokes.
Ecuația (14) și ilustrarea acesteia în Fig. 1 arată că procesul de împrăștiere ramanovekogo-TION în cavitatea laser este un proces cu patru fotoni in care doi fotoni de lumină laser dispare-zayut, iar in locul lor există două foton nou: Stokes și anti-Stokes. În procesul celor patru fotoni, amândouă
Fig. Schema vectorială a împrăștierii Raman stimulate ca procese de două fotoni care implică fononi de diferite direcții și magnitudine.
Distracția lui Stokes are direcții diferite, în timp ce împrăștierea anti-Stokes are o singură direcție definită.
au direcții precise definite. Deși fotonii cu adevărat anti-Stokes au o direcție precis definită,
împrăștiate în direcții diferite, cea principală în direcția razei incidente. În acest fel, Zeiger și colegii lui au propus un mecanism în două etape pentru procesul de împrăștiere Raman. Mai mult decât atât, fiecare etapă este un proces cu două fotoni, în care doi fotoni și un foton
. Aceasta din urmă corespunde vectorului de undă al undei care rezultă din vibrațiile coerente ale moleculelor excitate de undele optice incidentate. Prima etapă constă în formarea unui foton Stokes și a unui fonon
de la primul foton cu laser:
A doua etapă constă în formarea unui foton anti-Stokes de la un alt foton cu laser și fononul corespunzător:
În prima etapă se formează fotoni Stokes (cu o energie predeterminată
), direcționate diferit, și fononii corespunzători (figura 3). În a doua etapă, numai un astfel de fonon poate fi absorbit, ceea ce dă un foton anti-Stokes
0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 Abaterea de la axă, fascicul, deg.
1. Prima linie Stokes S1 detectează cea mai mare intensitate în direcția fasciculului laser. Pe măsură ce unghiul crește, intensitatea scade și nu indică un alt maxim în nici o direcție. (Apariția maximelor în liniile ulterioare Stokes S2 și S3, precum și maximele foarte slabe pe linia S1 are un motiv special, pe care nu o vom discuta aici).
2. respectiva primă linie Stokes S1 a primei linii anti-Stokes AS1 descoperă o intensitate puternică de vârf la un unghi de împrăștiere de aproximativ 3,0 ° Așa cum se vede, anti-Stokes scattering nu apare în corectarea luminii incidente, iar după vârf scade rapid la zero.
Aceste două fapte sunt în concordanță cu procesul în două etape al tranziției forțate Raman.
Fig. 4. Distribuția unghiulară a intensității primelor trei linii Stokes și a primei linii anti-Stokes în nitrobenzen.
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: