Кіріспе
Электромагнетизмде Бриллуан шашырауы (Бриллуанның жарық шашырауы немесе БЛС деп те аталады), Леон Бриллуанның есімімен аталған, жарықтың ортадағы материалдық толқындармен өзара әрекеттесуін көрсетеді (мысалы, электрострикция және магнитострикция). Бұл ортаның материалдық қасиеттеріне жарық сындыру көрсеткішінің тәуелділігі арқылы жүзеге асырылады; оптикада сипатталғандай, мөлдір материалдың жарық сындыру көрсеткіші деформацияға ұшырағанда (сығу, созу немесе иілу) өзгереді. Жарық толқыны мен деформация толқынының өзара әрекеттесуі нәтижесінде, жіберілген жарық толқынының бір бөлігі өзінің импульсін (соның салдарынан жиілігі мен энергиясын) басым бағыттарда өзгертеді, бұл тербелістік 3 өлшемді дифракциялық тордың дифракциясынан туындағандай болады. Егер орта қатты кристалл, макромолекулалық тізбек конденсаттары немесе тұтқыр сұйықтық немесе газ болса, онда тасымалдаушыдағы (квазибөлшек ретінде ұсынылған) ортадағы (өткізілетін электромагниттік толқын емес) төмен жиілікті атомдық тізбек деформациялық толқындары мыналар болуы мүмкін: массалық тербеліс (акустикалық) режимдері (фонондар деп аталады); зарядты ығыстыру режимдері (диэлектриктерде полярондар деп аталады); магниттік спин тербеліс режимдері (магниттік материалдарда магнондар деп аталады).
In electromagnetism, Brillouin scattering (also known as Brillouin light scattering or BLS), named after Léon Brillouin, refers to the interaction of light with the material waves in a medium (e. g. electrostriction and magnetostriction). It is mediated by the refractive index dependence on the material properties of the medium; as described in optics, the index of refraction of a transparent material changes under deformation (compression distension or shear skewing). The result of the interaction between the light wave and the carrier deformation wave is that a fraction of the transmitted light wave changes its momentum (thus its frequency and energy) in preferential directions, as if by diffraction caused by an oscillating 3 dimensional diffraction grating. If the medium is a solid crystal, a macromolecular chain condensate or a viscous liquid or gas, then the low frequency atomic chain deformation waves within the transmitting medium (not the transmitted electro magnetic wave) in the carrier (represented as a quasiparticle) could be for example:
mass oscillation (acoustic) modes (called phonons);
charge displacement modes (in dielectrics, called polarons);
magnetic spin oscillation modes (in magnetic materials, called magnons).
Механизм
Қатты дене физикасы тұрғысынан алғанда, Бриллуэн шашырауы – электромагниттік толқын мен жоғарыда аталған үш кристалдық тор толқынының бірі арасындағы өзара әрекеттесу болып табылады (мысалы, электрострикция және магнитострикция). Шашырау серпімді емес, яғни фотон энергиясын жоғалтып (Стокстің процесі), үш квазибөлшектің бірін (фонон, поляритон, магнон) тудыруы мүмкін, немесе сол квазибөлшектердің бірін сіңіру арқылы энергияны алуы мүмкін (анти-Стокстің процесі). Фотон энергиясының мұндай өзгеруі, жиіліктегі Бриллуэн жылжуына сәйкес келіп, шығарылған немесе сіңірілген квазибөлшектің энергиясына тең болады. Осылайша, Бриллуэн шашырауы әртүрлі атомдық тізбектердің тербеліс түрлерінің ("квазибөлшектер") энергиясын, толқын ұзындығын және жиілігін өлшеу үшін қолданылуы мүмкін. Бриллуэн жылжуын өлшеу үшін, Фабри-Перо интерферометрінің принципіне негізделген, Бриллуэн спектрометрі деп аталатын кең таралған құрылғы қолданылады. Балама ретінде, арзан 25 гигабит Ethernet оптикалық трансиверлерінен алынған жоғары жылдамдықты фотодиодтар, бағдарламаланатын радио немесе RF спектрлік анализатормен бірге қолданылуы мүмкін.
Рейли шашырауының контрасты
Рейлидің шашырауы да, беріліс ортасындағы молекулалардың тығыздығының, құрамының және бағдарының шағын көлемдегі ауытқуларына, демек, оның сыну көрсеткішіне байланысты деп қарастырылуы мүмкін. Айырмашылығы, Рейлидің шашырауы тек кездейсоқ және үйлеспейтін термиялық ауытқуларды қамтиды, ал Бриллуин шашырауына себеп болатын өзара байланысты, периодтық ауытқулардан (фонондардан) өзгеше. Сонымен қатар, Рейлидің шашырауы эластикалық болып табылады, себебі энергия жоғалмайды немесе алынбайды.
Раман шашырауының контрасты
Раман шашырауы – материяның діріл қасиеттерінен туындаған жарықтың икемді емес шашырауымен байланысты тағы бір құбылыс. Байқалатын жиілік өзгерісінің диапазоны және басқа да әсерлер Бриллуин шашырауымен салыстырғанда мүлдем басқаша. Раман шашырауында фотондар бірінші дәрежедегі көрші атомдар арасындағы байланыстардағы діріл және айналу түрленулерінің әсерінен шашырайды, ал Бриллуин шашырауы ірі масштабты, төмен жиілікті фонондардың шашыруынан туындайды. Екі құбылыстың да әсері сынама туралы өте әртүрлі ақпарат береді: Раман спектроскопиясы ортаның химиялық құрамын және молекулалық құрылымын анықтау үшін қолданылады, ал Бриллуин шашырауы материалдың қасиеттерін, мысалы, оның серпімді мінез-құлқын үлкен масштабта өлшеуге мүмкіндік береді. Бриллуин шашырауынан туындайтын жиілік өзгерістері, Бриллуин спектроскопиясы деп аталатын әдіспен интерферометр арқылы анықталады, ал Раман шашырауы үшін интерферометр немесе дисперсиялық (дифракциялық) спектрометр қолданылады.
Стимуляцияланған Бриллуин шашырауы
Ортада немесе толқын жетекте, мысалы, оптикалық талшықта қозғалатын күшті жарық сәулелері (мысалы, лазер) үшін, сәуленің электр өрісіндегі өзгерістер ортада электрлік тартылыс немесе сәулелену қысымы арқылы дыбыстық тербелістерді тудыруы мүмкін. Осы тербелістер нәтижесінде сәуледе Бриллуэн шашырауы пайда болуы мүмкін, әдетте кіріс сәулеге қарама-қарсы бағытта, бұл құбылыс стимуляцияланған Бриллуэн шашырауы (SBS) деп аталады. Сұйықтықтар мен газдар үшін жиілік өзгерісі әдетте 1–10 ГГц шамасында болады, бұл көрінетін жарықта ~1–10 пм толқын ұзындығының өзгеруіне әкеледі. Стимуляцияланған Бриллуэн шашырауы – оптикалық фазалық конъюгацияның болатын эффектілерінің бірі.
Оптика талшықтары арқылы тосқауылдау
Бриллюин шашырауы оптикалық талшықтардағы механикалық кернеуді және температураны сезу үшін де қолданылуы мүмкін.