Бриллюэновское рассеяние

В электромагнетизме электрострикция рассеяние Бриллюэна (также известное как рассеяние света Бриллюэна или BLS ), названное в честь Леона Бриллюэна , относится к взаимодействию света с материальными волнами в среде (например, и магнитострикция ) . Это опосредовано зависимостью показателя преломления от свойств материала среды; как описано в оптике , показатель преломления прозрачного материала изменяется при деформации (сжатии-растяжении или сдвиге-перекосе ).

Результатом взаимодействия между световой волной и несущей деформационной волной является то, что часть прошедшей световой волны меняет свой импульс (следовательно, частоту и энергию) в предпочтительных направлениях, как если бы в результате дифракции, вызванной колеблющимся трехмерным лучом, объемная дифракционная решетка .

Если среда представляет собой твердый кристалл , макромолекулярный цепной конденсат или вязкую жидкость или газ, то низкочастотные волны деформации атомной цепи внутри передающей среды (а не передаваемая электромагнитная волна) в носителе (представленном в виде квазичастицы ) ) может быть, например:

моды массовых колебаний (акустические) (называемые фононами );
режимы смещения заряда (в диэлектриках , называемых поляронами );
моды магнитных спиновых колебаний (в магнитных материалах, называемые магнонами ).

Механизм

С точки зрения физики твердого тела , рассеяние Бриллюэна представляет собой взаимодействие между электромагнитной волной и одной из трех вышеупомянутых волн кристаллической решетки (например, электрострикции и магнитострикции ). Рассеяние является неупругим , т.е. фотон может терять энергию ( стоксовский процесс) и в процессе создавать один из трех типов квазичастиц ( фонон , поляритон , магнон ) или может набирать энергию (антистоксовый процесс), поглощая один из этих типов квазичастиц. . Такой сдвиг энергии фотона, соответствующий бриллюэновскому сдвигу частоты, равен энергии выделившейся или поглощенной квазичастицы. Таким образом, рассеяние Бриллюэна можно использовать для измерения энергий, длин волн и частот различных типов колебаний атомной цепочки («квазичастиц»). Для измерения сдвига Бриллюэна используется обычно используемое устройство, называемое спектрометром Бриллюэна , конструкция которого заимствована из интерферометра Фабри-Перо . В качестве альтернативы можно использовать высокоскоростные фотодиоды, например, полученные из недорогих оптических приемопередатчиков 25-гигабитного Ethernet, в сочетании с программно-определяемым радио- или радиочастотным анализатором спектра. ^[1]

В отличие от рэлеевского рассеяния

Рэлеевское рассеяние также можно считать следствием флуктуаций плотности, состава и ориентации молекул внутри передающей среды и, следовательно, ее показателя преломления в небольших объемах вещества (особенно в газах или жидкостях). Разница в том, что в рэлеевском рассеянии участвуют только случайные и некогерентные тепловые флуктуации, в отличие от коррелированных периодических флуктуаций (фононов), которые вызывают рассеяние Бриллюэна. Более того, рэлеевское рассеяние является упругим, поскольку энергия не теряется и не приобретается.

Контраст с комбинационным рассеянием света

Комбинационное рассеяние света — еще одно явление, связанное с неупругим рассеянием света, вызванным колебательными свойствами материи. Обнаруженный диапазон частотных сдвигов и других эффектов сильно отличается от рассеяния Бриллюэна. При комбинационном рассеянии фотоны рассеиваются под действием колебательных и вращательных переходов в связях между соседними атомами первого порядка, тогда как рассеяние Бриллюэна возникает в результате рассеяния фотонов , вызванного крупномасштабными низкочастотными фононами . Эффекты этих двух явлений дают совершенно разную информацию об образце: рамановская спектроскопия может использоваться для определения химического состава и молекулярной структуры передающей среды, а рассеяние Бриллюэна может использоваться для измерения свойств материала в более широком масштабе, таких как его упругость. поведение. Сдвиги частоты в результате рассеяния Бриллюэна, метода, известного как спектроскопия Бриллюэна , обнаруживаются с помощью интерферометра, тогда как комбинационное рассеяние света использует либо интерферометр, либо дисперсионный (( решетка ) спектрометр .

Вынужденное рассеяние Бриллюэна

Для интенсивных лучей света (например, лазера ), движущихся в среде или в волноводе , таком как оптическое волокно , изменения в электрическом поле самого луча могут вызвать акустические колебания в среде посредством электрострикции или радиационного давления . В результате этих вибраций луч может проявлять рассеяние Бриллюэна, обычно в направлении, противоположном входящему лучу, - явление, известное как вынужденное рассеяние Бриллюэна (ВРМ). Для жидкостей и газов обычно создаваемые сдвиги частоты составляют порядка 1–10 ГГц, что приводит к сдвигу длины волны на ~ 1–10 пм в видимом свете . Вынужденное рассеяние Бриллюэна - это один из эффектов, с помощью которого может иметь место оптическое ОВФ .

Открытие

Неупругое рассеяние света, вызванное акустическими фононами, было впервые предсказано Леоном Бриллюэном в 1914 году. ^[2]. Леонид Мандельштам осознал возможность такого рассеяния еще в 1918 году, но опубликовал свою идею только в 1926 году. Считается, что ^[3]В честь Мандельштама этот эффект также называют рассеянием Бриллюэна-Мандельштама (BMS). Другими часто используемыми названиями являются рассеяние света Бриллюэна (BLS) и рассеяние света Бриллюэна-Мандельштама (BMLS).

Процесс вынужденного рассеяния Бриллюэна (ВРМБ) впервые наблюдали Чиао и др. в 1964 году. Оптический аспект процесса ВРМБ, связанный с ОВФ, был открыт Борисом Яковлевичем Зельдовичем и др. в 1972 году.

Оптоволоконное зондирование

Рассеяние Бриллюэна также можно использовать для измерения механической деформации и температуры в оптических волокнах. ^[4]

См. также

Ссылки

Примечания

^ «193THz.com» . 193thz.com . Проверено 27 октября 2023 г.
^ Бриллюэн, Леон: «Рассеяние света однородным прозрачным телом», Доклады Академии наук, том 158, с. 1331 (1914) ссылка
^ Feînberg, E.L.: The forefather , Uspekhi Fizicheskikh Nauk, Vol. 172 , 2002 (Physics-Uspekhi, 45 , 81 (2002) дои : 10.1070/PU2002v045n01ABEH001126 )
^ Меры, Раймонд М. (2001). Структурный мониторинг с использованием оптоволоконной технологии . Сан-Диего, Калифорния, США: Academic Press. стр. Глава 7. ISBN 978-0-12-487430-5 .

Источники

Бриллюэн, Леон (1914). «Рассеяние света однородным прозрачным телом» . Comptes Rendus de l’Académie des Sciences (на французском языке). 158 :1331–4 . Проверено 28 сентября 2022 г.
Бриллюэн, Леон (1922). «Рассеяние света и рентгеновских лучей однородным прозрачным телом». Анналы физики . 9 (17). EDP Science: 88–122. Бибкод : 1922АнФ....9...88Б . дои : 10.1051/anphys/192209170088 . ISSN 0003-4169 .
Л.И. Мандельштам , Ж. Расс. Физ-Хим. , Ова. 58, 381 (1926).
Цзяо, Республика Корея; Таунс, Швейцария; Стойчев, Б.П. (25 мая 1964 г.). «Вынужденное рассеяние Бриллюэна и когерентная генерация интенсивных гиперзвуковых волн». Письма о физических отзывах . 12 (21). Американское физическое общество (APS): 592–595. Бибкод : 1964PhRvL..12..592C . дои : 10.1103/physrevlett.12.592 . ISSN 0031-9007 .
Б.Я. Зельдович, В.И.Поповичев, В.В.Рагульский, Ф.С.Файсуллов, Связь между волновыми фронтами отраженного и возбуждающего света в вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна. Сов. Физ. ЖЭТФ , 15 , 109 (1972)

Внешние ссылки

CIMIT Центр интеграции медицины и инновационных технологий
Рассеяние Бриллюэна в Энциклопедии лазерной физики и техники
Поверхностное рассеяние Бриллюэна , Гавайский университет.
Список лабораторий, выполняющих измерения рассеяния Бриллюэна (источник BS Lab в ICMM-CSIC)

[1] «193THz.com» . 193thz.com . Проверено 27 октября 2023 г.

[2] Бриллюэн, Леон: «Рассеяние света однородным прозрачным телом», Доклады Академии наук, том 158, с. 1331 (1914) ссылка

[3] Feînberg, E.L.: The forefather , Uspekhi Fizicheskikh Nauk, Vol. 172 , 2002 (Physics-Uspekhi, 45 , 81 (2002) дои : 10.1070/PU2002v045n01ABEH001126 )

[4] Меры, Раймонд М. (2001). Структурный мониторинг с использованием оптоволоконной технологии . Сан-Диего, Калифорния, США: Academic Press. стр. Глава 7. ISBN 978-0-12-487430-5 .

[1]

[2]

[3]

[4]