CC BY
35ВКВО-2019 Нанофотоника
УСИЛЕНИЕ ЭФФЕКТА РАМАНА С ПОМОЩЬЮ ИНФРАКРАСНОГО ИСТОЧНИКА СВЕТА
Шишков В.Ю.123*. Андрианов Е.С.12, Пухов А.А.12 3. Виноградов А.П.123.
Лисянский А.А.4
1 Всероссийский научно-исследовательский институт автоматики им. Н.Л. Духова, г. Москва 2 Московский физико-технический институт, г. Москва 3 Институт теоретической и прикладной электродинамики РАН, г. Москвы 4 Департамент физики квинс колледжа городского университета Нью-Йорка, Нью-Йорк, США
* E-mail: vladislavmipt@gmail.ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16139
Рамановское рассеяние, которое также называют комбинационным рассеянием, это разновидность неупругого рассеяние света [1, 2]. В настоящее время с явлением рамановского рассеяния связывается целый ряд оптических методов измерения, объединенных понятием «вибрационная спектроскопия» [3]. В основании этих явлений лежит взаимодействие колебаний ядер молекулы или твёрдого тела с ее электронной подсистемой. В экспериментах по когерентному рамановскому рассеянию (CARS) молекулы освещаются двумя волнами, разница частот между которыми примерно равна собственной частоте колебаний ядер молекулы [4-6]. В результате происходит возбуждение когерентных колебаний ядер молекул, которое проявляется в нелинейной зависимости интенсивности сигнала CARS от интенсивности падающего поля. В данном докладе мы рассмотрим метод усиления рамановского сигнала с помощью инфракрасного источника (ИК) света. Как и метод CARS, он использует взаимодействие между электронной и ядерной подсистемами молекулы в виде гамильтониана взаимодействия Фрёлиха. При падении электромагнитного поля на молекулу это взаимодействие приводит к созданию эффективной силы, действующей на ядра молекулы. Из-за нелинейности гамильтониана Фрёлиха частотный спектр этой силы содержит всевозможные суммы и разности частот падающего электромагнитного поля. Метод CARS основан на том, что разность двух оптических сигналов совпадает с собственной частотой колебаний ядер молекулы. Резонансное возбуждение колебаний ядер молекул происходит и в том случае, когда сумма двух частот падающей ИК волны совпадает с собственной частотой колебаний ядер молекулы. Это возбуждение достигается даже для молекул, не имеющих дипольных моментов колебательных переходов. Благодаря когерентности ИК излучения возбужденные колебания ядер в разных молекулах также когерентны. Благодаря этой когерентности сигналы от молекул на стоксовой и антистоксовой частотах также являются когерентными. Это приводит к усилению рамановского сигнала, пропорционального квадрату числа молекул в объеме накачки, тогда как рамановский сигнал, возникающий из-за температурных флуктуаций, линейно пропорционален количеству молекул. Предлагаемый метод отличается от двухфотонного метода, предложенного в работе [7], где для возбуждения молекулы из основного состояния в возбужденное состояние необходим каскад переходов между вспомогательными колебательными уровнями молекулы с ненулевыми дипольными моментами. Дополнительные колебательные уровни необходимы для прямого взаимодействия молекулы с ИК светом. Этот метод применим только к конкретным молекулам, имеющим такие дополнительные колебательные уравни. Метод, описанный в данном докладе, основан на нелинейном взаимодействии электронной и ядерной подсистем. Усиление рамановского сигнала обусловлено резонансным взаимодействием второй гармоники падающего инфракрасного света с ядрами молекулы. Важным аспектом предлагаемого способа является то, что когерентные колебания ядер возбуждаются во всех молекулах, находящихся в освещенном объеме. В результате интенсивность рамановского сигнала становится пропорциональной квадрату числа освещенных молекул [8, 9]; тогда как интенсивность спонтанного комбинационного сигнала линейно зависит от числа молекул.
Литература
1. Raman, C.V. and K.S. Krishnan, A new type of secondary radiation. Nature, 1B28. 121(3O48): p. SO1
2. Mandelstam, L.I. and G.S. Landsberg, New phenomenon in scattering of light (preliminary report). J. Russ. Phys.-Chem. Soc., 1B28. BO: p. 33S
3. Ferraro, J.R., Introductory raman spectroscopy2OO3: Elsevier
4. Ganikhanov, F., et al, High-sensitivity vibrational imaging with frequency modulation coherent anti-Stokes Raman scattering (FM CARS) microscopy. Optics letters, 2OOB. 31(12): p. 1872-1874
5. Cheng, J.-X., A. Volkmer, andX.S. Xie, Theoretical and experimental characterization of coherent anti-Stokes Raman scattering microscopy. JOSA В, 2OO2. 1B(B): p. 13B3-137S
B. Vartiainen, E.M., Phase retrieval approach for coherent anti-Stokes Raman scattering spectrum analysis. JOSA B, 1BB2. B(8): p. 12OB-1214
7. A. J. Traverso, et al, Two-Photon Infrared Resonance Can Enhance Coherent Raman Scattering. Phys. Rev. Lett, 2O18. 12O(B): p. S
8. Bergner, G, et al, Quantitative detection of C-deuterated drugs by CARS microscopy and Raman microspectroscopy. Analyst, 2O11. 13B(18): p. 3B8B-3BB3
B. Bengtsson, P.-E., L. Martinsson, and M. Aldén, Combined vibrational and rotational CARS for simultaneous measurements of temperature and concentrations of fuel, oxygen, and nitrogen. Applied spectroscopy, 1BBS. 4B(2): p. 188-1B2
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 273
