В электромагнетизме 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, электрострикция и магнитострикция ) . Оно опосредовано зависимостью показателя преломления от материальных свойств среды; как описано в оптике , показатель преломления прозрачного материала изменяется при деформации (сжатие-растяжение или сдвиг-перекос ).
Результатом взаимодействия световой волны и несущей волны деформации является то, что часть прошедшей световой волны изменяет свой импульс (и, следовательно, свою частоту и энергию) в предпочтительных направлениях, как будто в результате дифракции, вызванной колеблющейся трехмерной дифракционной решеткой .
Если среда представляет собой твердый кристалл , конденсат макромолекулярной цепи или вязкую жидкость или газ, то низкочастотные волны деформации атомной цепи внутри передающей среды (не передаваемая электромагнитная волна) в носителе (представленном в виде квазичастицы ) могут быть, например:
С точки зрения физики твердого тела рассеяние Бриллюэна представляет собой взаимодействие между электромагнитной волной и одной из трех вышеупомянутых волн кристаллической решетки (например, электрострикция и магнитострикция ). Рассеяние является неупругим, то есть фотон может терять энергию ( процесс Стокса ) и в процессе создавать один из трех типов квазичастиц ( фонон , поляритон , магнон ) или он может приобретать энергию (антистоксов процесс), поглощая один из этих типов квазичастиц. Такой сдвиг энергии фотона, соответствующий сдвигу Бриллюэна по частоте, равен энергии освобожденной или поглощенной квазичастицы. Таким образом, рассеяние Бриллюэна можно использовать для измерения энергий, длин волн и частот различных типов колебаний атомной цепи («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, восстановленные из недорогих 25-гигабитных оптических трансиверов Ethernet, в сочетании с программно-определяемым радио или анализатором спектра радиочастот. [1]
Рэлеевское рассеяние также можно считать обусловленным флуктуациями плотности, состава и ориентации молекул в передающей среде, а следовательно, и ее показателя преломления в малых 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 Мандельштама-Бриллюэна. Более того, рэлеевское рассеяние является упругим, то есть энергия не теряется и не приобретается.
Рамановское рассеяние — еще одно явление, которое включает неупругое рассеяние света, вызванное колебательными свойствами вещества. Обнаруженный диапазон частотных сдвигов и других эффектов сильно отличается от рассеяния Бриллюэна. При рамановском рассеянии фотоны рассеиваются под действием колебательных и вращательных переходов в связях между соседними атомами первого порядка, в то время как рассеяние Бриллюэна является результатом рассеяния фотонов , вызванного крупномасштабными низкочастотными фононами . Эффекты двух явлений предоставляют 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 большем масштабе, таких как его упругое поведение. Частотные сдвиги от рассеяния Бриллюэна, метода, известного как спектроскопия Бриллюэна , обнаруживаются с помощью интерферометра, в то время как Рамановское рассеяние использует либо интерферометр, либо дисперсионный ( решеточный ) спектрометр .
Для интенсивных пучков света (например, лазера ), перемещающихся в среде или в волноводе , таком как оптическое волокно , изменения в электрическом поле самого пучка могут вызывать акустические колебания в среде посредством электрострикции или давления излучения . Пучок может демонстрировать рассеяние Мандельштама-Бриллюэна в результате этих колебаний, обычно в направлении, противоположном входящему пучку, явление, известное как вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ). Для жидкостей и газов сдвиги частоты обычно составляют порядка 1–10 ГГц, что приводит к сдвигам длины волны ~1–10 пм в видимом свете . Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна является одним из эффектов, посредством которого может происходить оптическое фазовое сопряжение .
Неупругое рассеяние света, вызванное акустическими фононами, было впервые предсказано Леоном Бриллюэном в 1914 году [2] . Считается, что Леонид Мандельштам осознал возможность такого рассеяния еще в 1918 году, но опубликовал свою идею только в 1926 году. [3] Чтобы отдать должное Мандельштаму, эффект также называют рассеянием Бриллюэна-Мандельштама (РМБ). Другие часто используемые названия — рассеяние света Бриллюэна (РБС) и рассеяние света Бриллюэна-Мандельштама (РМБЛ).
Процесс вынужденного рассеяния Мандельштама-Бриллюэна (ВРМБ) впервые наблюдали Цзяо и др. в 1964 году. Оптический аспект фазового сопряжения процесса ВРМБ был открыт Борисом Яковлевичем Зельдовичем и др. в 1972 году.
Рассеяние Мандельштама-Бриллюэна также можно использовать для измерения механической деформации и температуры в оптических волокнах. [4]