分子及晶格相干振動(dòng)超快過(guò)程的飛秒CARS光譜研究.pdf

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

2、力工具,而且已經(jīng)被用于研究幾種納米晶體材料中相干聲子動(dòng)力學(xué)。飛秒TR-CARS技術(shù)的理論和實(shí)驗(yàn)研究已經(jīng)取得了眾多成果,但也存在著很多問(wèn)題,比如其機(jī)理研究還不夠系統(tǒng)和深入,實(shí)驗(yàn)研究還存在一定的狹隘性。本論文對(duì)飛秒TR-CARS技術(shù)進(jìn)行了深入的理論分析,搭建了飛秒TR-CARS光譜實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),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(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率振動(dòng)模式的選擇激發(fā),避免了采用復(fù)雜的激光系統(tǒng)。研究了無(wú)序分子材料甲苯和PVK

3、中電子基態(tài)分子相干振動(dòng)動(dòng)力學(xué)以及有序晶體材料藍(lán)寶石中相干聲子動(dòng)力學(xué)。
　　目前,人們對(duì)飛秒TR-CARS技術(shù)的理論分析還不夠深入,現(xiàn)存的理論模型還不夠完善,對(duì)一些實(shí)驗(yàn)結(jié)果的模擬和解釋尚存在一定困難。本文利用半經(jīng)典理論分析方法深入分析了飛秒TR-CARS過(guò)程的機(jī)理,結(jié)合飛秒激光脈沖的特點(diǎn),經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的公式推導(dǎo),建立了利用飛秒 TR-CARS技術(shù)激發(fā)并探測(cè)相干振動(dòng)的理論模型,就飛秒TR-CARS實(shí)驗(yàn)中經(jīng)常出現(xiàn)的量子拍頻信號(hào)進(jìn)行了理論解釋

4、,得到了飛秒CARS信號(hào)及量子拍頻信號(hào)隨探測(cè)脈沖相對(duì)同步的泵浦/斯托克斯脈沖對(duì)的延遲時(shí)間演變的理論公式,為合理分析和解釋實(shí)驗(yàn)結(jié)果、獲得關(guān)于拉曼模式振動(dòng)動(dòng)力學(xué)的信息提供了重要的理論依據(jù)。
　　在分子振動(dòng)動(dòng)力學(xué)研究領(lǐng)域,對(duì)振動(dòng)模式之間相干耦合問(wèn)題的研究還存在很多不足,這影響了分子動(dòng)力學(xué)的全面發(fā)展。本文利用飛秒TR-CARS光譜技術(shù),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(duì)象,研究了電子基態(tài)分子振動(dòng)動(dòng)力學(xué),選擇激發(fā)并

5、探測(cè)了高頻振動(dòng)區(qū)3000cm-1左右的C-H伸縮振動(dòng)模式,在兩種樣品的飛秒TR-CARS信號(hào)中都觀察到了振動(dòng)模式之間相干耦合引起的量子拍頻現(xiàn)象。利用建立的理論模型對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析和解釋,并對(duì)動(dòng)力學(xué)曲線進(jìn)行了理論擬合,得到了受激振動(dòng)模式的振動(dòng)動(dòng)力學(xué)信息,并表明了分子中不同位置處同種化學(xué)鍵的振動(dòng)模式之間可以發(fā)生相干耦合,這對(duì)深入理解量子相干并發(fā)展量子相干技術(shù)具有重要意義。
　　對(duì)晶體中聲子的研究是固體物理學(xué)中一項(xiàng)重要的課題,國(guó)內(nèi)外

6、利用飛秒TR-CARS技術(shù)對(duì)塊狀晶體中相干聲子動(dòng)力學(xué)的研究還未見(jiàn)報(bào)道,對(duì)相干聲子基礎(chǔ)研究的缺乏制約了其應(yīng)用研究的發(fā)展。本文利用飛秒TR-CARS光譜技術(shù)研究了塊狀藍(lán)寶石晶體中相干聲子動(dòng)力學(xué),首先同時(shí)激發(fā)并探測(cè)了藍(lán)寶石晶體中300～600cm-1范圍內(nèi)的多個(gè)聲子模式,觀察到了多個(gè)模式相干耦合的量子拍頻,又選擇激發(fā)并探測(cè)了較低頻的379cm-1和418cm-1聲子模式,通過(guò)理論擬合獲得了這兩個(gè)模式的動(dòng)力學(xué)信息。此項(xiàng)工作對(duì)于豐富人們對(duì)相干聲子

7、的認(rèn)識(shí),發(fā)展相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究具有重要意義。
　　缺陷對(duì)晶體的許多性質(zhì)都有著重要的影響,因此發(fā)展對(duì)晶體缺陷的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)是非常必要的。晶體中缺陷的存在會(huì)影響聲子的動(dòng)力學(xué)行為,本文對(duì)經(jīng)不同輻照劑量γ射線輻照過(guò)的藍(lán)寶石晶體中較高頻的645cm-1和750cm-1聲子模式進(jìn)行了選擇激發(fā)和探測(cè),研究了藍(lán)寶石晶體中缺陷對(duì)相干聲子動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響,發(fā)現(xiàn)兩種模式相干聲子的失相時(shí)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