Time-resolved nonlinear spectroscopy of two-phonon states in molecular crystals

Laboratoire d'Optique Quantique du C.N.R.S. Ecole Polytechnique, 91128 Palaiseau Cedex, France.

Abstract

It is shown that time-resolved nonlinear optical techniques can be extended to the selective study of the dynamics of vibrational overtones and two-phonon states in condensed media. In a primary application the first experimental demonstration of coherent anti-Stokes higher order Raman scattering (CAHORS) on the overtone and bound two-phonon state of the v₂ vibration in liquid and crystalline CS₂, respectively. Is presented. The CAHORS technique is subsequently employed to measure the coherence relaxation times of both components of the Fermi doublet {v₁,2v₂} in condensed CO₂, as a function of temperature up to and across the melting point. Several possible mechanisms for the loss of coherence of bound two-phonon states are described and discussed.

Résumé

On montre que les techniques de l’optique non linéaire résolue dans le temps peuvent être étendues à l’étude sélective de la dynamique, en phase condensée, des harmoniques de vibrations et des états à deux phonons. On présente d'abord la première expérience de diffusion Raman anti-Stokes cohérente d'ordre supérieur (CAHORS). Celle-ci a été réalisée sur le 2^e harmonique (état liquide) et l’état lié à deux phonons (cristal) de la vibration v₂ de CS₂. La technique CAHORS est ensuite employée pour mesurer les temps de relaxation cohérente des deux composantes du doublet de Fermi (v₁, 2 v₂) dans CO₂ condensé, en fonction de la température, jusqu'au delà du point de fusion. Plusieurs mécanismes possibles pour la perte de cohérence de l'état lié à deux phonons sont enfin décrits et discutés.