Введение

Взаимодействие света с материальными волнами в среде

В электромагнетизме рассеяние Бриллуана (также известное как рассеяние света Бриллуана или BLS), названное в честь Леона Бриллуана, относится к взаимодействию света с материальными волнами в среде (например, электрострикция и магнитострикция). Оно обусловлено зависимостью показателя преломления от материальных свойств среды; как описано в оптике, показатель преломления прозрачного материала изменяется при деформации (сжатии, растяжении или сдвиге). Результатом взаимодействия световой волны и волны деформации в среде является изменение импульса (а следовательно, частоты и энергии) части прошедшего света в определенных направлениях, подобно дифракции, вызванной колеблющейся трехмерной дифракционной решеткой. Если среда представляет собой твердый кристалл, конденсат макромолекулярных цепей или вязкую жидкость или газ, то низкочастотные атомные волны деформации в среде распространения (а не в прошедшей электромагнитной волне) в носителе (представленном в виде квазичастицы) могут быть, например: моды колебаний массы (акустические) – фононы; моды смещения заряда (в диэлектриках) – поляроны; моды колебаний магнитного спина (в магнитных материалах) – магноны.

Механизм

С точки зрения физики твердого тела, рассеяние Брилюэна представляет собой взаимодействие между электромагнитной волной и одной из трех упомянутых выше кристаллических решетчатых волн (например, электрострикция и магнитострикция). Рассеяние является неэластичным, то есть фотон может терять энергию (процесс Стокса) и в этом процессе создавать один из трех типов квазичастиц (фонон, поляритон, магнон), либо может приобретать энергию (антистоксовский процесс) путем поглощения одной из этих квазичастиц. Такое изменение энергии фотона, соответствующее сдвигу Бриллюэна по частоте, равно энергии испущенной или поглощенной квазичастицы. Таким образом, рассеяние Брилюэна может быть использовано для измерения энергий, длин волн и частот различных типов колебаний атомных цепей ("квазичастиц"). Для измерения сдвига Бриллюэна обычно используется устройство, называемое спектрометром Бриллюэна, конструкция которого основана на интерферометре Фабри-Перо. В качестве альтернативы, высокоскоростные фотодиоды, например, из недорогих 25-гигабитных оптических трансиверов Ethernet, могут использоваться в сочетании с программно-определяемым радио или RF-спектроанализатором.

Контраст с рассеянием Рэйли

Рассеяние Рэлея также можно рассматривать как результат флуктуаций плотности, состава и ориентации молекул в среде распространения, а следовательно, и её показателя преломления, в малых объемах вещества (особенно в газах или жидкостях). Отличие состоит в том, что рассеяние Рэлея включает лишь случайные и некогерентные тепловые флуктуации, в отличие от коррелированных, периодических флуктуаций (фононов), вызывающих рассеяние Брилюэна. Более того, рассеяние Рэлея является упругим, то есть не сопровождается потерей или приобретением энергии.

Контраст с Рамановым рассеянием

Рамановское рассеяние – еще одно явление, включающее неэластичное рассеяние света, обусловленное колебательными свойствами вещества. Диапазон регистрируемых частотных сдвигов и другие эффекты существенно отличаются от тех, что наблюдаются при рассеянии Брилюэна. При рамановском рассеянии фотоны рассеиваются вследствие колебательных и вращательных переходов в связях между ближайшими соседними атомами, тогда как рассеяние Брилюэна возникает из-за рассеяния фотонов, вызванного крупномасштабными, низкочастотными фононами. Эффекты этих двух явлений предоставляют принципиально различную информацию об образце: рамановская спектроскопия может использоваться для определения химического состава и молекулярной структуры исследуемой среды, в то время как рассеяние Брилюэна позволяет измерять свойства материала в большем масштабе, например, его упругие характеристики. Частотные сдвиги, возникающие при рассеянии Брилюэна, – метод, известный как спектроскопия Брилюэна, – регистрируются с помощью интерферометра, а для рамановского рассеяния используются либо интерферометр, либо дисперсионный (дифракционный) спектрометр.

Стимулированный рассеяние Брилуана

Для интенсивных пучков света (например, лазера), распространяющихся в среде или волноводе, таком как оптическое волокно, изменения в электрическом поле самого пучка могут вызывать акустические колебания в среде посредством электрострикции или давления излучения. Эти колебания могут приводить к рассеянию Брилюэна, обычно в направлении, противоположном направлению падающего пучка, явление, известное как стимулированное рассеяние Брилюэна (SBS). Для жидкостей и газов типичные частотные сдвиги составляют порядка 1–10 ГГц, что соответствует сдвигам длины волны примерно в 1–10 пм в видимом свете. Стимулированное рассеяние Брилюэна – один из эффектов, посредством которого может происходить оптическое фазовое сопряжение.

Оптиковолоконное зондирование

Бриллюинское рассеяние также может быть использовано для измерения механических деформаций и температуры в оптических волокнах.