Nichtlineare Raman-Effekte

Mit der Entwicklung immer leistungsstärkerer Laser wurden einige spektroskopische Effekte entdeckt, die man unter dem Begriff nichtlineare Raman-Effekte zusammenfasst.

Im klassischen Raman-Effekt wird das induzierte Dipolmoment µ wie folgt beschrieben:

$$\mu =\alpha \cdot E\begin{array}{l}\mu \text{- Dipolmoment}\\ \alpha \text{- Polarisierbarkeit}\\ E\text{- elektrische Feldstärke}\end{array}$$

Diese Beziehung gilt bei der Anwendung leistungsstarker Laser, deren Strahlung eine bis zu 100000 mal größere elektrische Feldstärke aufweisen als die Strahlung kontinuierlicher Laser, wie sie für den klassischen Raman-Effekt verwendet werden, nicht mehr. Es werden nichtlineare optische Effekte beobachtet, die durch folgende Gleichung beschrieben werden können:

$$\mu =\alpha E+\frac{1}{2}\beta E^2+\frac{1}{6}\gamma E^3\begin{array}{l}\mathrm{mit\; \alpha \; >\; \beta \; >\; \gamma }\\ \beta \text{- erste Hyper-Polarisierbarkeit}\\ \gamma \text{- zweite Hyper-Polarisierbarkeit}\end{array}$$

Beim klassischen Raman-Effekt (normale Laserleistung) ist nur die Polarisierbarkeit α ausschlaggebend, so dass ein linearer Zusammenhang zwischen induziertem Dipolmoment und elektrischer Feldstärke gegeben ist.

Die bekanntesten nichtlinearen Raman-Effekte sind:

• der Hyper-Raman-Effekt
• die kohärente Anti-Stokes-Raman-Spektroskopie (CARS)
• die stimulierte Raman-Spektroskopie

Trotz vieler Vorteile der nichtlinearen Raman-Effekte werden diese Methoden meist nur in speziell dafür ausgerüsteten Laboratorien angewendet, da experimentell sehr hohe Ansprüche gestellt werden müssen.