水 的 受 激Raman散 射

劉立鋼, 付成偉, 陸國(guó)會(huì), 李占龍, 劉鐵成

(1. 北華大學(xué) 教育科學(xué)學(xué)院, 吉林 吉林 132013; 2. 吉林大學(xué) 物理學(xué)院, 長(zhǎng)春 130012)

水作為數(shù)量最多的分子型化合物, 對(duì)其結(jié)構(gòu)及其高溫高壓下的結(jié)構(gòu)研究目前已引起人們廣泛關(guān)注[1-4]. 由于水的Raman散射截面小[5], 因此不易采用Raman光譜探測(cè)水和水中的痕量物質(zhì). 研究人員采用不同的增強(qiáng)方式研究水及水中痕量物質(zhì)的受激Raman散射. 如熒光增強(qiáng)受激Raman散射[6]、 微液滴形變?cè)鰪?qiáng)受激Raman散射[7]和液芯光纖增強(qiáng)受激Raman散射[8]等. 但利用等離子體增強(qiáng)受激Raman散射的研究目前較少. 本文利用激光誘導(dǎo)水分子產(chǎn)生等離子體, 等離子體產(chǎn)生附加電場(chǎng)增強(qiáng)水分子的受激Raman散射, 獲得受激Stokes和反Stokes譜線, 實(shí)現(xiàn)水的增強(qiáng)受激Raman 散射. 水的受激Raman散射可應(yīng)用于生物學(xué)、 醫(yī)學(xué)、 生態(tài)學(xué)以及在線監(jiān)控工業(yè)和自然環(huán)境水的成分變化(水的體積分?jǐn)?shù)和添加物分析)等領(lǐng)域.

1 實(shí)驗(yàn)方法和儀器

水的受激Raman散射泵浦源為Nd∶YAG脈沖激光器, 經(jīng)磷酸氧鈦鉀(KTP)倍頻后為532 nm, 經(jīng)小孔選模后的工作模式為基模, 工作頻率為1 Hz, 脈寬為12 ns, 能量為0～160 mJ. 激光經(jīng)25 mm耦合透鏡進(jìn)入10 cm長(zhǎng)的石英樣品池內(nèi), 出射光經(jīng)透鏡會(huì)聚至海洋USB4000型Raman光譜儀采集譜線, 由計(jì)算機(jī)進(jìn)行信號(hào)處理, 實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示. 在測(cè)試背向Raman 散射時(shí), 增加一塊半透半反鏡, 以實(shí)現(xiàn)背向的受激Raman散射光譜采集.

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup

2 結(jié)果和討論

2.1 Raman閾值 本文將水與甲醇、 乙醇、 苯、 甲苯、 二硫化碳分別進(jìn)行了受激Raman閾值比較, 結(jié)果列于表1. 由表1可見(jiàn), 水與甲醇和乙醇的受激Raman閾值基本相同, 大于苯、 甲苯和二硫化碳的受激Raman 閾值.

表1 不同液態(tài)物質(zhì)的受激Raman 閾值與Kerr常數(shù)

2.2 不同能量下水的前向受激Raman散射 水的受激Raman散射譜如圖2所示. 由圖2可見(jiàn), 水的自發(fā)Raman散射主要在2 800～3 800 cm-1內(nèi)變化, 該范圍為O—H的伸縮振動(dòng)區(qū)域, 表現(xiàn)為幾個(gè)峰的疊加. 當(dāng)激光能量小于80 mJ時(shí), 只有Stokes受激譜線, 當(dāng)激光能量大于140 mJ時(shí), Stokes譜線和反Stokes譜線均較強(qiáng).

2.3 后向、 前向及側(cè)向水的Raman散射對(duì)比 當(dāng)激光能量為140 mJ時(shí), 水的后向、 前向和側(cè)向(與光傳播方向成90°)受激Raman散射譜如圖3所示. 由圖3可見(jiàn), 前向Stokes線最強(qiáng), 后向比前向的受激Raman散射強(qiáng)度弱, 其中側(cè)向的受激Raman散射強(qiáng)度最弱, 實(shí)驗(yàn)表明, 受激Raman散射能量大部分集中在前向. Raman峰位存在差異, 在側(cè)向和后向分別產(chǎn)生了2條Stokes譜線3 268,3 400 cm-1, 前向僅產(chǎn)生一條Stokes譜線3 426 cm-1.

當(dāng)激光能量為100～160 mJ, 激光脈寬為12 ns, 在焦點(diǎn)處激光聚焦直徑為0.4 mm時(shí), 產(chǎn)生的激光功率密度約為1010W·cm-2, 在焦點(diǎn)處Kerr效應(yīng)可引起激光束的自聚焦和自陷. 由于水的Kerr常數(shù)較小, 其自聚焦和自陷效應(yīng)較弱, 且受激Raman閾值與Kerr常數(shù)成反比[9], 因此其受激Raman閾值較高, 而二硫化碳由于其Kerr常數(shù)最大, 因此其受激Raman閾值最小. 在焦點(diǎn)處出現(xiàn)聚焦成細(xì)絲狀直徑小于0.2 mm的激光束, 其能量密度約為1011W·cm-2, 該激光束將促使水電離, 由于水的電離能為7.4～9.4 eV[10], 532 nm激光的能量為2.33 eV, 因此可知, 水的光電離應(yīng)為三光子或四光子激發(fā)過(guò)程. 當(dāng)能量為140 mJ時(shí), 在焦點(diǎn)處產(chǎn)生明顯的氣泡和等離子體復(fù)合產(chǎn)生的白光輻射, 由圖2可見(jiàn), 曲線a存在明顯的等離子體背景輻射, 受激Raman散射增強(qiáng)[10], 產(chǎn)生了較強(qiáng)的反Stokes譜線. 由于等離子體輻射產(chǎn)生靜電場(chǎng), 因此影響了水的非線性極化率和極性水分子取向, 增大了水分子的Raman散射截面, 由于受激Raman散射強(qiáng)度與Raman散射截面為指數(shù)關(guān)系, 因此Raman散射截面增加導(dǎo)致受激Raman 散射強(qiáng)度顯著增大[5]. 后向受激Stokes 3 268,3 400 cm-1譜線與冰的Ⅷ相分子內(nèi)振動(dòng)模式ν1(A1g)和ν3(Eg)基本一致[11], 在激光誘導(dǎo)等離子體作用下的水具有與冰Ⅷ相似的結(jié)構(gòu). 前向受激Raman散射與后向和側(cè)向Raman散射不同表明, 在等離子體作用下, 水具有各向異性.

圖2 水的受激Raman散射譜Fig.2 Raman spectra of stimulated water

圖3 不同方向水的受激Raman譜Fig.3 Raman spectra of stimulated water in different directions

綜上, 本文可得如下結(jié)論: 水的Raman激發(fā)閾值較高; 水的受激Raman散射能量主要集中在前向; 激光誘導(dǎo)等離子體產(chǎn)生的電場(chǎng)使受激Raman散射強(qiáng)度顯著增大; 當(dāng)激光泵浦能量為140 mJ時(shí), 水的結(jié)構(gòu)與冰Ⅷ結(jié)構(gòu)相似.

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