Рассеяние Бриллюэна - Brillouin scattering

Рассеяние Бриллюэна (также известен как Рассеяние света Бриллюэна или BLS), названный в честь Леон Бриллюэн, относится к взаимодействию свет с материальными волнами в среде. Это опосредовано показатель преломления зависимость от свойств материала среды; как описано в оптика, то показатель преломления изменения прозрачного материала при деформации (сжатие-растяжение или сдвиг-перекос).

Результат взаимодействия между световой волной и волной деформации носителя заключается 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. размерный дифракционная решетка.

Если среда представляет собой твердый кристалл, конденсат макромолекулярной цепочки, вязкую жидкость или газ, то низкочастотные волны деформации цепочки атомов в передающей среде (не передаваемая электромагнитная волна) в носителе (представленные как квазичастица ) может быть, например:

  1. массовые колебательные (акустические) моды (называемые фононы );
  2. режимы смещения заряда (в диэлектриках называются поляритоны );
  3. моды колебаний магнитного спина (в магнитных материалах, называемые магноны ).

Механизм

Решетка wave.svg

С точки зрения физика твердого тела, Рассеяние Бриллюэна - это взаимодействие между электромагнитной волной и одной из трех вышеупомянутых волн кристаллической решетки. Рассеяние равно неэластичный т.е. фотон может потерять энергию (Стокса процесса) и в процессе создания одного из трех типов квазичастиц (фонон, поляритон, магнон ) или он может получать энергию (антистоксов процесс), поглощая один из этих типов квазичастиц. Такой сдвиг энергии фотона, соответствующий Бриллюэновский сдвиг по частоте равна энергии высвобожденной или поглощенной квазичастицы. Таким образом, рассеяние Бриллюэна можно использовать для измерения энергий, длин волн и частот различных типов колебаний атомных цепочек («квазичастиц»). Для измерения бриллюэновского сдвига обычно используется прибор, называемый Бриллюэновским сдвигом. спектрометр используется, конструкция которого заимствована из Интерферометр Фабри – Перо.

Контраст с рэлеевским рассеянием

Рэлеевское рассеяние также может рассматриваться как результат 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), которые вызывают рассеяние Бриллюэна. Более того, рэлеевское рассеяние упруго в том смысле, что энергия не теряется и не набирается.

Контраст с комбинационным рассеянием

Рамановское рассеяние - еще одно явление, связанное 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, тогда как рассеяние Бриллюэна возникает за счет рассеяния фотоны вызвано крупномасштабными, низкочастотными фононы. Эффекты двух явлений дают очень разную информацию об образце: Рамановская спектроскопия 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 упругое поведение. Сдвиг частоты из-за рассеяния Бриллюэна, метода, известного как Бриллюэновская спектроскопия, обнаруживаются с помощью интерферометр в то время как комбинационное рассеяние света использует либо интерферометр, либо дисперсионный (решетка ) спектрометр.

Вынужденное рассеяние Бриллюэна

Для интенсивных лучей света (например, лазер ) путешествовать в среде или в волновод, например, оптоволокно, вариации электрическое поле самой балки может вызвать акустические колебания в среде через электрострикция или радиационное давление. Луч может отображать рассеяние Бриллюэна в результате этих колебаний, обычно в направлении, противоположном входящему лучу, явление, известное как вынужденное рассеяние Бриллюэна (SBS). Для жидкостей и газов обычно создаваемые частотные сдвиги составляют порядка 1–10 ГГц что приводит к сдвигу длины волны на ~ 1–10 вечера в видимый свет. Вынужденное рассеяние Бриллюэна - это один из эффектов, благодаря которому оптическое ОВФ может иметь место.

Открытие

Неупругое рассеяние света на акустических фононах было впервые предсказано Леон Бриллюэн в 1922 г. Леонид Мандельштам Считается, что он признал возможность такого рассеяния еще в 1918 году, но опубликовал свою идею только в 1926 году.[1]Чтобы отдать должное Мандельштаму, этот эффект также называют 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 наблюдал Чиао. и другие. в 1964 году. Оптическое фазовое сопряжение процесса ВРМБ было обнаружено Борис Яковлевич Зельдович и другие. в 1972 г.

Волоконно-оптическое зондирование

Рассеяние Бриллюэна также можно использовать для определения механическое напряжение и температура в оптических волокнах.[2]

Смотрите также

использованная литература

Заметки

  1. ^ Фейнберг, Э.Л .:Праотец// Успехи физических наук. 172, 2002 (Успехи физ. 45, 81 (2002) Дои:10.1070 / PU2002v045n01ABEH001126 )
  2. ^ Меры, Раймонд М. (2001). Структурный мониторинг с оптоволоконной технологией. Сан-Диего, Калифорния, США: Academic Press. С. Глава 7. ISBN  978-0-12-487430-5.

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. Дои:10.1051 / anphys / 192209170088. ISSN  0003-4169.
  • Л.И. Мандельштам, Ж. Русь. Физ-хим., Ova. 58, 381 (1926).
  • Chiao, R. Y .; Townes, C.H .; Стойчев, Б. П. (1964-05-25). «Вынужденное рассеяние Бриллюэна и когерентная генерация интенсивных гиперзвуковых волн». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 12 (21): 592–595. Дои:10.1103 / Physrevlett.12.592. ISSN  0031-9007.
  • Б.Я. Зельдович А.В., Поповичев В.И., Рагульский В.В., Файсуллов Ф.С. Связь волновых фронтов отраженного и возбуждающего света в вынужденном рассеянии Мандельштама-Бриллюэна. Сов. Phys. ЖЭТФ, 15, 109 (1972)

внешние ссылки