导 读
气体和液体中的化学反应过程往往伴随着分子振动转动状态的变化。相干拉曼光谱技术可以提供高时间/频率分辨的分子振动、转动拉曼光谱,是研究化学反应动力学的重要技术手段之一。然而,受限于复杂的飞秒/皮秒混合激光源的产生以及飞秒/皮秒脉冲远场时空重合问题,当前相干拉曼光谱技术主要应用于近场液体样品的分子振动、转动光谱标定和反应动力学研究。近日,吉林大学徐淮良教授与日本东京大学Kaoru Yamanouchi教授等人合作提出一种新型远程拉曼光谱技术,通过强飞秒激光非线性传输产生“空气激光”,直接在远场获得了时空重合的飞秒/皮秒混合激光脉冲,构建了结构简单、具有高频率/时间分辨能力的远程相干拉曼光谱仪,实现了远场大气分子相干共振和非共振的斯托克斯和反斯托克斯振动、转动拉曼光谱高时间/频率分辨测量,为研究复杂大气环境中大分子污染物、气溶胶等奠定了基础。
引用格式
Yao Fu, Jincheng Cao, Kaoru Yamanouchi, Huailiang Xu, “Air-Laser-Based Standoff Coherent Raman Spectrometer”, Ultrafast Science, vol. 2022, Article ID 9867028, 9 pages, 2022.
光谱技术是研究光与物质相互作用最重要的分析方法之一,在物理、化学等基础研究以及工业应用中占有重要地位。在众多光谱技术中,拉曼光谱由于可以实时探测导致气体和液体化学变化的分子动力学过程而备受关注。然而,在高时间频率分辨相干拉曼光谱探测系统中,为产生不同波长和飞秒/皮秒混合的激光脉冲,激光器通常体积庞大、成本高昂;此外,受限于飞秒/皮秒激光脉冲远场时空重合问题,目前的相干拉曼光谱技术主要应用于近场液体样品的分子振动、转动光谱标定和反应动力学研究。
“空气激光”作为一种新型超快强激光非线性传输诱导的大气光源,它摆脱了谐振腔的束缚,可以在远场位置产生并传输,为远程传感应用提供了全新的技术手段。在本工作中,吉林大学徐淮良教授和日本东京大学Kaoru Yamanouchi教授合作,通过强飞秒激光非线性传输在远场产生了基于空气激光的飞秒/皮秒混合脉冲光源,提出并构建了时间频率同时分辨的相干拉曼光谱仪,实现了大气分子相干共振和非共振的斯托克斯和反斯托克斯振动、转动拉曼光谱的高时间/频率分辨测量,展示了大气氮分子振动转动耦合以及氮分子离子的电子态、振动态、转动态演化动力学过程。
基于空气激光的拉曼光谱系统不需要额外的激光产生和调制系统,直接通过单束强飞秒激光的非线性传输就可以在远场获得多波长的飞秒-皮秒混合光源,用于相干拉曼光谱测量。此外,由于皮秒空气激光是由强飞秒激光在远场诱导产生,因而可以很容易地在远场实现混合拉曼光源中不同激光脉冲的时空重合。图1为基于空气激光的时间频率同时分辨的拉曼光谱仪原理图。强飞秒激光非线性传输后频谱被展宽,当自展宽的飞秒激光与待探测分子相互作用时将建立起分子电子基态上的振动和转动波包,可以称其为“飞秒激活光”;另一方面,强飞秒激光非线性传输过程中产生的皮秒空气激光,驱动分子拉曼跃迁过程,可以称其为“拉曼泵浦光”。飞秒激活光脉宽为数十飞秒量级,可以精确地标定振转波包相干建立的时间点;拉曼泵浦光具有几个厘米波数的带宽,由其诱导的相干拉曼光谱具有很高的光谱分辨率。通过调控飞秒激活光和拉曼泵浦光延时,可以实现分子振动转动演化动力学过程的探测。
图1 (a)时间频率同时分辨的相干拉曼光谱测试方案;(b)飞秒激活光和拉曼泵浦光在时域和频域上的分布。
图2为不同条件下测量的前向光谱。当“飞秒激活光”与“拉曼泵浦光”共同作用时,在频域上可以同时观测到斯托克斯和反斯托克斯、振动和转动、共振和非共振前向拉曼光谱。图3展示了非共振,单共振以及双共振拉曼信号强度在时域上的变化。其中,单共振拉曼过程为氮分子的相干斯托克斯拉曼信号,拉曼跃迁的下能级为实能级,该信号强度变化规律主要受分子的振动转动态耦合过程的影响。双共振拉曼过程为氮分子离子的共振振动拉曼信号,由于在该过程中存在单光子电子态共振,拉曼跃迁的上能级也为实能级,因而该信号在时域上的强度变化规律可以反映出氮分子离子的电子态、振动态、转动态演化过程。
图2 当飞秒激活光单独作用(黑色虚线),拉曼泵浦光单独作用(蓝色点划线),飞秒激活光与拉曼泵浦光共同作用且拉曼泵浦光在飞秒激活光后1.3 ps时(红色实线)的前向光谱。
图3 非共振(蓝色三角点虚线),单共振(红色圆点虚线),双共振(黑色方形点实线)相干拉曼信号强度随延迟时间变化函数和相应过程的能级示意图。
总结与展望
付尧(第一作者),吉林大学博士毕业生,主要研究领域为超快强激光与物质的相互作用,在Ultrafast Science,Physical Review Research,Optics Letters 等杂志发表学术论文10余篇。
徐淮良(通讯作者),吉林大学教授,国家杰出青年基金获得者、国家万人计划科技创新领军人才,吉林大学研究生院副院长。主要从事超快激光非线性光谱学和激光与物质相互作用(激光烧蚀、改性、激光离化和解离等)研究工作,在PRL等上发表SCI收录论文180余篇,在World Scientific出版合撰著作《Fundamentals of Laser Optoelectronics》(2nd Edition),在 Springer系列丛书《Progress in Ultrafast Intense Laser Science》上发表5章节,在Laser & Photon. Rev. 等期刊上发表综述论文10余篇。徐淮良教授现为Journal of Physics B、Nanomaterials、中国激光、中国光学和光子学报编委。
Kaoru Yamanouchi(通讯作者),日本东京大学教授,主要从事物理化学研究,特别是气相激光光谱,化学反应动力学和强激光科学领域研究工作,发表论文270余篇。Yamanouchi教授是超快强激光科学国际知名专家,现为日本科学理事会准会员、日本化学学会会士、美国物理学会会士、日本强光场科学学会执行委员。Yamanouchi教授现为Journal of Physics B国际咨询委员会成员、Springer系列丛书《Chemical Physics》编委、 Springer系列丛书《Topics in Applied Physics》编委、Springer子丛书《Progress in Ultrafast Intense Laser Science》主编。
Ultrafast Science,a Science partner journal,中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊 , 双月刊,由中国科学院主管、中国科学院西安光学精密机械研究所主办。
主编:龚旗煌 院士、赵卫 研究员
办刊宗旨:刊载超快科学研究领域的新理论、新技术、新进展、促进学术交流,推动成果转化,提高我国在该领域的科研水平和国际影响力。
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