Рассеяние Бриллюэна - Brillouin scattering

Рассеяние Бриллюэна (также известное как рассеяние света Бриллюэна или BLS ), названное в честь Леона Бриллюэна , относится к взаимодействию света с материальными волнами в среде. Это обусловлено зависимостью показателя преломления от свойств материала среды; как описано в оптике , показатель преломления прозрачного материала изменяется при деформации (сжатие-растяжение или сдвиг-перекос).

Результат взаимодействия между световой волной и волной деформации носителя состоит в том, что часть прошедшей световой волны изменяет свой импульс (следовательно, свою частоту и энергию) в определенных направлениях, как если бы за счет дифракции, вызванной колеблющимся 3-м потоком. размерная дифракционная решетка .

Если среда представляет собой твердый кристалл, макромолекулярный цепной конденсат или вязкую жидкость или газ, то низкочастотные волны атомной цепной деформации в передающей среде (не прошедшая электромагнитная волна) в носителе (представленном как квазичастица ) может быть, например:

  1. массовые колебательные (акустические) моды (называемые фононами );
  2. режимы смещения заряда (в диэлектриках - поляритоны );
  3. моды колебаний магнитного спина (в магнитных материалах, называемых магнонами ).

Механизм

Решетка wave.svg

С точки зрения физики твердого тела , рассеяние Бриллюэна - это взаимодействие между электромагнитной волной и одной из трех вышеупомянутых волн кристаллической решетки. Рассеяние является неупругим, т.е. фотон может потерять энергию ( стоксов процесс) и в процессе создать один из трех типов квазичастиц ( фонон , поляритон , магнон ) или он может получить энергию (антистоксов процесс), поглощая один из этих типов квазичастиц. . Такой сдвиг энергии фотона, соответствующий сдвигу Бриллюэна по частоте, равен энергии высвобожденной или поглощенной квазичастицы. Таким образом, рассеяние Бриллюэна можно использовать для измерения энергий, длин волн и частот различных типов колебаний цепочек атомов («квазичастиц»). Для измерения бриллюэновского сдвига используется обычно применяемое устройство, называемое спектрометром Бриллюэна , конструкция которого основана на интерферометре Фабри – Перо .

Контраст с рэлеевским рассеянием

Рэлеевское рассеяние также можно рассматривать как следствие флуктуаций плотности, состава и ориентации молекул в передающей среде и, следовательно, ее показателя преломления в небольших объемах вещества (особенно в газах или жидкостях). Разница в том, что рэлеевское рассеяние включает только случайные и некогерентные тепловые флуктуации, в отличие от коррелированных периодических флуктуаций (фононов), вызывающих рассеяние Бриллюэна. Более того, рэлеевское рассеяние является упругим в том смысле, что энергия не теряется и не набирается.

Контраст с комбинационным рассеянием

Рамановское рассеяние - еще одно явление, которое связано с неупругим рассеянием света, вызванным колебательными свойствами вещества. Обнаруженный диапазон частотных сдвигов и других эффектов сильно отличается от рассеяния Бриллюэна. При комбинационном рассеянии света фотоны рассеиваются за счет эффекта колебательных и вращательных переходов в связях между соседними атомами первого порядка, в то время как рассеяние Бриллюэна возникает в результате рассеяния фотонов, вызванного крупномасштабными низкочастотными фононами . Эффекты этих двух явлений дают очень разную информацию об образце: спектроскопия комбинационного рассеяния может использоваться для определения химического состава и молекулярной структуры передающей среды, в то время как рассеяние Бриллюэна может использоваться для измерения свойств материала в более крупном масштабе, таких как его упругость. поведение. Частотные сдвиги из-за рассеяния Бриллюэна, метода, известного как спектроскопия Бриллюэна , обнаруживаются с помощью интерферометра, в то время как для рамановского рассеяния используется либо интерферометр, либо дисперсионный ( решетчатый ) спектрометр .

Вынужденное рассеяние Бриллюэна

Для интенсивных лучей света (например, лазера ), распространяющихся в среде или в волноводе , таком как оптическое волокно , изменения электрического поля самого луча могут вызывать акустические колебания в среде за счет электрострикции или радиационного давления . Луч может отображать рассеяние Бриллюэна в результате этих колебаний, обычно в направлении, противоположном входящему лучу, явление, известное как вынужденное рассеяние Бриллюэна (ВРМБ). Для жидкостей и газов обычно создаваемые частотные сдвиги составляют порядка 1–10 ГГц, что приводит к сдвигам длины волны в видимом свете на ~ 1–10 пм . Вынужденное рассеяние Бриллюэна - это один из эффектов, с помощью которого может происходить оптическое фазовое сопряжение .

Открытие

Неупругое рассеяние света, вызванное акустическими фононами, было впервые предсказано Леоном Бриллюэном в 1922 году. Считается, что Леонид Мандельштам признал возможность такого рассеяния еще в 1918 году, но опубликовал свою идею только в 1926 году. Эффект также называется рассеянием Бриллюэна-Мандельштама (BMS). Другие часто используемые названия - это рассеяние света Бриллюэна (BLS) и рассеяние света Бриллюэна-Мандельштама (BMLS).

Процесс вынужденного рассеяния Бриллюэна (ВРМБ) впервые наблюдали Chiao et al. в 1964 году. Оптический аспект ОВФ процесса ВРМБ был открыт Борисом Яковлевичем Зельдовичем и др. в 1972 г.

Волоконно-оптическое зондирование

Рассеяние Бриллюэна также можно использовать для определения механической деформации и температуры в оптических волокнах.

Смотрите также

Рекомендации

Примечания

Источники

  • Бриллюэн, Леон (1922). "Diffusion de la lumière et des rayons X par un corps transparent homogène". Annales de Physique . EDP ​​Sciences. 9 (17): 88–122. DOI : 10.1051 / anphys / 192209170088 . ISSN   0003-4169 .
  • Л.И. Мандельштам , Ж. Русь. Физ-хим. , Ova. 58, 381 (1926).
  • Chiao, RY; Таунс, Швейцария; Стойчев, Б.П. (25 мая 1964 г.). «Вынужденное рассеяние Бриллюэна и когерентная генерация интенсивных гиперзвуковых волн». Письма с физическим обзором . Американское физическое общество (APS). 12 (21): 592–595. DOI : 10.1103 / physrevlett.12.592 . ISSN   0031-9007 .
  • Б.Я. Зельдович, В.И.Поповичев, В.В. Рагульский, Ф. Ф. Файсуллов. Связь волновых фронтов отраженного и возбуждающего света при вынужденном рассеянии Мандельштама Бриллюэна . Phys. ЖЭТФ , 15 , 109 (1972)

внешняя ссылка