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 ) . 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 (а, 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:
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 потерять энергию ( стоксовский процесс) и в процессе создать один из трех типов квазичастиц ( фонон , поляритон , магнон ) или может получить 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, восстановленные из недорогих оптических приемопередатчиков 25-гигабитного Ethernet, в сочетании с программно-определяемым радио- или радиочастотным анализатором спектра. [1]
Рэлеевское рассеяние также можно считать обусловленным флуктуациями 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.
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 крупном 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 ( решеточный ) спектрометр .
Для интенсивных лучей света (например, лазера ), движущихся в среде или в волноводе , таком как оптическое волокно , изменения в электрическом поле самого луча могут вызывать 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 .
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] В честь Мандельштама этот эффект также называют рассеянием Бриллюэна-Мандельштама (БМС). 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.
Рассеяние Бриллюэна также можно использовать для измерения механической деформации и температуры в оптических волокнах. [4]