瞬态相干光谱学

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第210页（2133字）

以瞬态相干效应为基础研究物质的微观动力学过程，是新近发展起来的激光光谱学的一个分支，称为瞬态相干光谱学。

它可以分辨被线型掩盖的光谱精细结构，提供其它光谱学方法无法得到的关于物质内部深层次的信息。

瞬态相干光谱学中的基本物理概念源于Bloch等开创的核磁共振方法。核磁共振研究能揭示磁偶极子相互作用的物理图像，其中自旋这个概念起着重要的作用。Feynman等论证了任何二能级系统都可以处理为1／2自旋系统，因而磁共振与光学共振之间存在明显的相似特征。

考虑到驰豫衰减时，强相干场作用下二能级系统的跃迁几率W₁₂可表示为

W₁₂=E^－rtsin²(x／2)t

其中r为驰豫时间的倒数，而

X=μ₁₂Eo／h

称为Rabi频率，μ₁₂是二能级偶极跃迁距阵元，Eo为入射场振幅。因而二能级系统与相干场相互作用时，上下能级粒子数处于脉动状态。当观测时间小于驰豫时间时，即可观察到脉动辐射信号。这种现象称为瞬态相干现象。

在理论研究方面，Bloch，Torrey和Hahn做出了重要贡献。

Bloch最先引入了赝偶极矩和赝场的概念，前者现称为Bloch矢量，后者称为有效场。不过，以宏观感生极化强度为场源的波动方程，Bloch只求出了稳态解。Torrey利用拉普拉斯变换给出了波动方程的普遍解，但他的普遍解中有4个难以确定的常数，限制了Torrcy解的实际应用。

Hahn在Torrey工作的基础上导出了比较实用的普遍形式并在若干瞬态相干效应中得到应用。

最近30年来，瞬态相干光谱学的实验技术取得了长足进展。从实验技术的观点看，观测瞬态相干光学效应，必须具有与测量介质能级共振的单色强相干光源，要能形成理想的脉冲序列激发介质，要有提取瞬态信号的检测手段和数据处理系统。早期的实验使用脉冲激光器，在光频区成功地观察到与核磁共振中相类似的瞬态相干效应，例如光子回波、光学章动和自感应透明等均在光频区被相继发现。

但由于激光波形不稳，脉宽、幅度和持续时间无法控制，因而难于进行精确的测量。70年代后期，由于可调谐激光器调谐范围扩大，线宽压窄，瞬态相干实验不再局限于少数系统。

特别是Stark开关技术和频率开关技术的引入，大大推动了这一光谱学分支的发展，发现了一些新的瞬态相干效应，而且使这一领域的工作实现了从定性研究向定量分析的飞跃。

最近10年这一领域研究的主流是利用瞬态相干效应研究驰豫过程。

特别值得指出的是Berman和Brewer等在利用光子回波对速度碰撞的研究时，不仅测出了碰撞参数，而且使碰撞粒子速度的大小和方向对光谱线增宽的影响也能得到完满解释。

他们对绝热反转和延迟光学章动的研究能测定出能级驰豫速率。另一个最新进展是把瞬态相干效应用于高分辨光谱测量。例如孙陶亨和Kash等利用相干Raman拍频技术测量CH₃F分子的振转跃迁简并态，得到了一系列禁戒跃迁在混合时的强辐射，能级间隔仅数十千赫。

他们还利用光子回波技术测定了该分子的核自旋与分子转动间相互作用的超精细分裂。利用瞬态相干效应直接测定偶极跃迁矩阵元近来取得了新的进展。

例如Shoemaker等利用Stark开关技术对NH₂D分子的跃迁矩阵元进行了测定，其精度大大超过了早先Hocker等用脉冲CO₂激光测定SF₆跃迁矩元的精度。

展望今后的发展，瞬态相干光谱面临以下几方面问题。

从理论的角度看，对驰豫机制的细节研究有待进一步深入，目前尚未找到能对实验结果完满解释的理论模型。对超辐射的理论还不能透彻说明不相关的粒子如何通过辐射相互作用建立协同的相关关系。从实验技术的角度看，尽管频率开关技术是比较理想的方法，但研制带有频率开关的稳频激光器还有许多问题要解决，但这方面技术的进展可能推动瞬态相干光谱学向纵深发展。最后，瞬态相干效应在光谱学中的应用正处在初级阶段。

但从已取得的结果看，潜力是很大的，亟待进一步开拓。

。【参考文献】：

1 BlochF. Phys Rev,1946,70:460

2 Torrey H C. Phys Rev, 1949,76:1059

3 Feynmen R P, Vernon E L, Hellowarth R W. J Appl Phys, 1957,28:49

4 Brewer R G, Azriel Z. Genack.Phys Rev lett,1976,36:959

5 孙陶亨，Kash J A，Hahn E L．北京大学学报，1985，3：32

(陕西师范大学王应宗副教授、傅克德教授撰)