Rozpraszanie Brillouina - Brillouin scattering

Rozpraszanie Brillouina (znane również jako rozpraszanie światła Brillouina lub BLS ), nazwane na cześć Léona Brillouina , odnosi się do interakcji światła z falami materialnymi w ośrodku. Pośredniczy w tym zależność współczynnika załamania światła od właściwości materiału ośrodka; jak opisano w optyce , współczynnik załamania światła przezroczystego materiału zmienia się pod wpływem odkształcenia (rozciąganie przy ściskaniu lub skośne przy ścinaniu).

Rezultatem interakcji między falą świetlną a falą deformacji nośnej jest to, że ułamek transmitowanej fali świetlnej zmienia swój pęd (a tym samym częstotliwość i energię) w preferowanych kierunkach, jak gdyby przez dyfrakcję wywołaną oscylacją 3- wymiarowa siatka dyfrakcyjna .

Jeśli ośrodek jest stałym kryształem, makrocząsteczkowym kondensatem łańcucha lub lepką cieczą lub gazem, to fale deformacji łańcucha atomowego o niskiej częstotliwości w ośrodku transmisyjnym (nie transmitowana fala elektromagnetyczna) w nośniku (reprezentowane jako kwazicząstka) ) może być na przykład:

  1. tryby oscylacji masy (akustyczne) (zwane fononami );
  2. tryby przemieszczenia ładunku (w dielektrykach zwane polaryzacjami );
  3. tryby oscylacji spinu magnetycznego (w materiałach magnetycznych, zwanych magnonami ).

Mechanizm

Krata wave.svg

Z punktu widzenia fizyki ciała stałego rozpraszanie Brillouina to interakcja pomiędzy falą elektromagnetyczną a jedną z trzech wyżej wymienionych fal sieci krystalicznej. Rozproszenie jest nieelastyczny czyli fotonu mogą tracić energii ( Stokes procesu), a w procesie tworzenie się jednym z trzech rodzajów kwazicząstka ( fononów , polariton , Magnon ) lub może to uzyskiwanie energii (anty-Stokesa procesu) wchłanianego jeden z tych rodzajów kwazicząstka . Takie przesunięcie energii fotonów, odpowiadające przesunięciu częstotliwości Brillouina , jest równe energii uwolnionej lub pochłoniętej kwazicząstki. Zatem rozpraszanie Brillouina można wykorzystać do pomiaru energii, długości fal i częstotliwości różnych typów oscylacji łańcucha atomowego („kwazicząstek”). Do pomiaru przesunięcia Brillouina stosuje się powszechnie stosowane urządzenie zwane spektrometrem Brillouina , którego konstrukcja pochodzi z interferometru Fabry-Pérot .

Porównaj z rozpraszaniem Rayleigha

Rozpraszanie Rayleigha również można uznać za spowodowane wahaniami gęstości, składu i orientacji cząsteczek w ośrodku transmisyjnym, a tym samym współczynnika załamania światła, w małych objętościach materii (szczególnie w gazach lub cieczach). Różnica polega na tym, że rozpraszanie Rayleigha obejmuje tylko przypadkowe i niespójne fluktuacje termiczne, w przeciwieństwie do skorelowanych, okresowych fluktuacji (fononów), które powodują rozpraszanie Brillouina. Co więcej, rozpraszanie Rayleigha jest elastyczne, ponieważ nie traci ani nie zyskuje energii.

Porównaj z rozpraszaniem Ramana

Rozpraszanie Ramana to kolejne zjawisko polegające na nieelastycznym rozpraszaniu światła spowodowanym przez wibracyjne właściwości materii. Wykryty zakres przesunięć częstotliwości i innych efektów jest bardzo różny w porównaniu do rozpraszania Brillouina. W rozpraszaniu Ramana fotony są rozpraszane przez efekt przejść wibracyjnych i obrotowych w wiązaniach między sąsiednimi atomami pierwszego rzędu, podczas gdy rozpraszanie Brillouina wynika z rozpraszania fotonów wywołanego przez fonony o dużej skali i niskiej częstotliwości . Efekty tych dwóch zjawisk dostarczają bardzo różnych informacji o próbce: spektroskopia Ramana może być wykorzystana do określenia składu chemicznego i struktury molekularnej medium transmisyjnego, natomiast rozpraszanie Brillouina może służyć do pomiaru właściwości materiału na większą skalę - takich jak elastyczność zachowanie. Przesunięcia częstotliwości wynikające z rozpraszania Brillouina, techniki znanej jako spektroskopia Brillouina , są wykrywane za pomocą interferometru, podczas gdy rozpraszanie Ramana wykorzystuje interferometr lub spektrometr dyspersyjny ( siatkowy ) .

Stymulowane rozpraszanie Brillouina

W przypadku intensywnych wiązek światła (np. Lasera ) przemieszczających się w ośrodku lub w falowodzie , takim jak światłowód , zmiany pola elektrycznego samej wiązki mogą wywoływać drgania akustyczne w ośrodku poprzez elektrostrykcję lub ciśnienie promieniowania . Wiązka może wykazywać rozpraszanie Brillouina w wyniku tych wibracji, zwykle w kierunku przeciwnym do przychodzącej wiązki, zjawisko znane jako wymuszone rozpraszanie Brillouina (SBS). W przypadku cieczy i gazów typowe zmiany częstotliwości są rzędu 1–10 GHz, co skutkuje przesunięciami długości fal o około 1–10 µm w świetle widzialnym . Stymulowane rozpraszanie Brillouina jest jednym ze skutków, dzięki któremu może nastąpić sprzężenie fazy optycznej .

Odkrycie

Nieelastyczne rozpraszanie światła spowodowane przez fonony akustyczne zostało po raz pierwszy przewidziane przez Léona Brillouina w 1922 roku. Uważa się, że Leonid Mandelstam dostrzegł możliwość takiego rozpraszania już w 1918 roku, ale opublikował swój pomysł dopiero w 1926 roku. efekt nazywany jest również rozpraszaniem Brillouina-Mandelstama (BMS). Inne powszechnie używane nazwy to rozpraszanie światła Brillouina (BLS) i rozpraszanie światła Brillouina-Mandelstama (BMLS).

Proces stymulowanego rozpraszania Brillouina (SBS) został po raz pierwszy zaobserwowany przez Chiao i wsp. w 1964 roku. Aspekt koniugacji fazy optycznej w procesie SBS został odkryty przez Borisa Yakovlevicha Zeldovicha i in. w 1972 roku.

Wykrywanie światłowodowe

Rozpraszanie Brillouina można również zastosować do wykrywania naprężeń mechanicznych i temperatury w światłowodach.

Zobacz też

Bibliografia

Uwagi

Źródła

  • Brillouin, Léon (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 .
  • LI Mandelstam , Zh. Russ. Fiz-Khim. , Ova. 58, 381 (1926).
  • Chiao, RY; Townes, CH; Stoicheff, BP (25.05.1964). „Stymulowane rozpraszanie Brillouina i spójne generowanie intensywnych fal hipersonicznych”. Pisma przeglądu fizycznego . Amerykańskie Towarzystwo Fizyczne (APS). 12 (21): 592–595. doi : 10.1103 / physrevlett.12.592 . ISSN   0031-9007 .
  • B.Ya. Zel'dovich, VIPopovichev, VVRagulskii i FSFaisullov, „Połączenie między frontami fal odbitego i ekscytującego światła w stymulowanym rozpraszaniu Mandel'shtam Brillouin”, Sov. Fiz. JETP , 15 , 109 (1972)

Zewnętrzne linki