Rev. Phys. Appl. (Paris) 22, 1717-1734 (1987)
DOI: 10.1051/rphysap:0198700220120171700

Intramolecular and intermolecular dynamics in molecular liquids through femtosecond time-resolved impulsive stimulated scattering

S. Ruhman, A.G. Joly, B. Kohler, L.R. Williams et K.A. Nelson

Department of Chemistry, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts 02139, U.S.A.

Abstract
Recent femtosecond time-resolved impulsive stimulated scattering experimental results from molecular liquids are reviewed and new data are presented. Three main areas are discussed. First, the inertial molecular motions of simple liquids (CS2, benzene) are observed. The results can be interpreted in terms of intermolecular librations, which in some cases are clearly manifest in the form of oscillatory time-dependent responses. The temperature-dependent intermolecular librational frequency and dephasing dynamics in CS2 liquid are determined. The data suggest that dephasing is predominantly inhomogeneous, and permit estimation of the extent of inhomogeneity in the librational frequency. Second, intramolecular vibrational oscillations are monitored directly in real time. The data are influenceed by both molecular vibrational and orientational dynamics. These experiments make possible time-resolved spectroscopy of vibrationally distorted molecules in well defined nonequilibrium configurations. Finally, the general occurrence of impulsive stimulated scattering whenever an ultrashort light pulse passes through a Raman-active medium is discussed.

Résumé
Des résultats expérimentaux récents sur la diffusion stimulée impulsionnelle (ISS) résolue aux temps femtosecondes dans les liquides moléculaires sont passés en revue et de nouvelles données sont présentées. Trois points sont discutés. En premier, les mouvements moléculaires inertiels de liquides simples (CS2, benzène) sont observés. Ces résultats peuvent être interprétés en termes de librations intermoléculaires, qui dans quelques cas se manifestent nettement par des réponses oscillatoires dépendant du temps. La fréquence de libration intermoléculaire dépendant de la température et la dynamique du déphasage dans le CS2 liquide sont déterminées. Les valeurs suggèrent que le déphasage est principalement inhomogène et elles permettent d'estimer le degré d'inhomogénéité du potentiel de libration. Deuxièmement, les oscillations vibrationnelles intramoléculaires sont suivies directement en temps réel. Les valeurs sont influencées à la fois par la dynamique moléculaire de vibration et par celle d'orientation. Ces expériences rendent possible la spectroscopie résolue en temps des molécules vibrationnellement distordues dans des configurations non équilibrées bien définies. Finalement, on discute l'apparition généralisée de diffusion stimulée impulsionnelle chaque fois qu'une impulsion ultracourte de lumière traverse un milieu actif en Raman.

PACS
0130R - Reviews and tutorial papers: resource letters.
4265C - Stimulated Raman scattering and spectra: CARS: stimulated Brillouin and stimulated Rayleigh scattering and spectra.
4280W - Ultrafast optical techniques.
6125E - Structure of molecular liquids.
7847 - Ultrafast optical measurements in condensed matter.

Key words
carbon compounds -- molecular libration -- molecular orientation -- molecular vibration -- organic compounds -- reviews -- stimulated scattering -- time resolved spectra -- intramolecular dynamics -- molecular vibrational dynamics -- intermolecular dynamics -- molecular liquids -- femtosecond time resolved impulsive stimulated scattering -- inertial molecular motions -- simple liquids -- benzene -- intermolecular librations -- oscillatory time dependent responses -- temperature dependent intermolecular librational frequency -- dephasing dynamics -- inhomogeneity -- real time -- orientational dynamics -- vibrationally distorted molecules -- nonequilibrium configurations -- ultrashort light pulse -- Raman active medium -- CS sub 2