к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА

Глоссарий по физике

А   Б   В   Г   Д   Е   Ж   З   И   К   Л   М   Н   О   П   Р   С   Т   У   Ф   Х   Ц   Ч   Ш   Э   Ю   Я  

Вынужденное рассеяние света

Вынужденное рассеяние света - рассеяние света на индуцированных самой рассеиваемой волной элементарных возбуждениях среды (оптич. и акустич. фононах, магнонах, электронах, температурных волнах и т. п.). Причина вынужденного рассеяния света - обратное воздействие световых волн на рассеивающую среду, обусловленное её оптич. нелинейностью. При спонтанном рассеянии это воздействие пренебрежимо мало, так что рассеяние происходит на равновесных тепловых флуктуациях.

Возможность вынужденного рассеяния света была теоретически предсказана Г. Плачеком (G. Placzek) ещё в 1934. Однако первые успешные эксперименты были проведены лишь в 1962 после появления лазеров. Вынужденное рассеяние света обычно наблюдается при облучении интенсивным лазерным излучением (при накачке с частотой 1119919-21.jpg) нелинейной среды, к-рой может быть газ, жидкость, твёрдое тело, плазма (рис. 1).

Вынужденное рассеяние света так же, как и спонтанное, связано с модуляцией параметров среды (напр., электронной поляризуемости, показателя преломления и т. п.) при её возбуждении светом, что приводит к амплитудной модуляции рассеянного света, а следовательно, к появлению в нём новых спектральных компонент (стоксовых и антистоксовых с частотами 1119919-22.jpg соответственно). Однако в отличие от спонтанного рассеяния света при вынужденном рассеянии света происходит взаимодействие излучения накачки и рассеянного света через среду, поэтому элементарные возбуждения становятся когерентными [1, 2, 3).

Наиб. характерные признаки вынужденного рассеяния света - это резкое возрастание интенсивности и сужение диаграмм направленности стоксовых и антистоксовых компонент. В случае вынужденного рассеяния света интенсивности рассеянных компонент сравнимы с интенсивностью излучения накачки (при спонтанном рассеянии они составляют ~10-5-10-6 интенсивности рассеиваемой волны).

1119919-23.jpg

Рис. 1. Типичная схема опыта по наблюдению вынужденного комбинационного рассеяния света.

Классическая теория

На классич. языке вынужденного рассеяния света проще всего объяснить на примере одного из наиб. важных типов - вынужденного комбинац. рассеяния (BKP) на колебат. переходах молекул [4]. Описание взаимодействия света с внутримолекулярными движениями основывается на учёте зависимости электронной поляризуемости молекул 1119919-24.jpg от ядерной конфигурации, определяемой координатами ядер, а именно амплитудой их колебаний qi (подробнее см. Комбинационное рассеяние света). В простейшем одномерном случае (i=1)

1119919-25.jpg

где 1119919-26.jpg - линейная поляризуемость. Наличие члена 1119919-27.jpg в (1) является причиной модуляции света молекулярными колебаниями: в наведённой световой волной поляризации P появляются новые частотные компоненты, сдвинутые на частоту колебаний ядер (т. е. на собственную частоту колебаний молекулы):

1119919-28.jpg

В условиях, когда q определяется тепловыми движениями в среде, (2) описывает спонтанное комбинац. рассеяние.

Зависимость 1119919-29.jpg является одновременно причиной обратного воздействия световых волн на молекулярные колебания. Действительно, энергия взаимодействия W молекулы со световой волной выражается в виде

1119919-30.jpg

и, следовательно, при 1119919-31.jpg в световом поле возникает сила

1119919-32.jpg

действующая на колебания. Если световое поле, падающее на среду, такой частоты 1119919-33.jpg, что 1119919-34.jpg , где1119919-35.jpg- собственная частота молекулярных колебаний, 1119919-36.jpg - стоксова компонента, то эта сила может привести к резонансной раскачке колебаний частоты 1119919-37.jpg, возникновению параметрической неустойчивости, т. н. распадной неустойчивости. В этих условиях на хаотич. внутримолекулярное движение накладываются регулярные вынужденные колебания, фазы к-рых в разл. молекулах определяются фазами компонент светового поля (происходит фазирование молекулярных колебаний во всём объёме, занятом световыми полями). Неустойчивость возникает, если интенсивность 1119919-38.jpg световой волны превышает нек-рое пороговое значение: 1119919-39.jpg В этом случае низкочастотная стоксова компонента экспоненциально усиливается по мере распространения через среду: 1119919-40.jpg . Здесь 1119919-41.jpg - инкремент усиления, g - коэф. усиления, х - длина возбуждённой части среды. В практич. случаях 1119919-42.jpg может достигать величины ~102.

В силу (3) амплитуда возбуждённых световой волной молекулярных колебаний 1119919-43.jpg и, следовательно, для поляризации среды можно записать, согласно (2),

1119919-44.jpg

где 1119919-45.jpg - кубич. нелинейная восприимчивость. Именно она является универсальной характеристикой среды, описывающей явления вынужденного рассеяния света (см. Нелинейная оптика).

Квантовая теория

Вынужденное рассеяние света рассматривается как результат взаимодействия фотонов накачки с рассеявшимися фотонами. При спонтанном рассеянии рассеявшийся фотон может оказаться в любой моде, характеризующейся частотой, поляризацией и направлением распространения фотона. Вероятность рассеяния в данную моду в единицу временя 1119919-46.jpg-1) пропорциональна интенсивности 1119919-47.jpg (Вт/см2) света накачки:1119919-48.jpg1119919-49.jpg, где 1119919-50.jpg(см2) - сечение рассеяния, а величина 1119919-51.jpg представляет собой число мод в облучаемом объёме V, 1119919-52.jpg-ширина спектральной линии спонтанного рассеяния, 1119919-53.jpg-скорость рассеянного света в нелинейной среде. Полная вероятность спонтанного рассеяния 1119919-54.jpg. Рассеяние становится вынужденным, если в данной моде уже находится 1119919-55.jpg1 рассеявшихся фотонов. В соответствии со статистикой Бозе - Эйнштейна, к-рой подчиняются фотоны, рассеивающийся фотон стремится попасть в ту моду, где уже есть аналогичные фотоны.

1119919-56.jpg

Рис. 2. Схема вынужденного комбинационного рассеяния: 1119919-57.jpg - фотон накачки; 1119919-58.jpg - стоксов фотон; 1 - основное состояние; 2 - возбуждённое состояние системы.

Это приводит к тому, что вероятность 1119919-59.jpg рассеяния 1119919-60.jpg -го фотона в данную моду (в частности, в данном направлении, рис. 2), где уже имеется т фотонов, будет в (m+1) раз больше вероятности спонтанного рассеяния: 1119919-61.jpg, где1119919-62.jpg1119919-63.jpg - вероятность вынужденного рассеяния света в данную моду. T. к. m ~ Iс, где Iс-интенсивность рассеянного в данную моду света, и 1119919-64.jpg, то 1119919-65.jpg~Iс*Iн, т. е. вероятность вынужденного рассеяния света пропорциональна произведению интенсивностей накачки (Iн) и рассеянного света (IС). Учитывая, что можно показать, что при 1119919-67.jpg 1 для стационарного случая (т. е. при 1119919-68.jpg) имеет место уравнение 1119919-69.jpg , описывающее экспоненциальное усиление рассеянного света, как и при классическом рассмотрении.

1119919-66.jpg


Основные виды вынужденного рассеяния света

Каждому виду спонтанного рассеяния можно сопоставить соответствующее вынужденное рассеяние света. Поэтому классификация вынужденного рассеяния света аналогична классификации видов спонтанного рассеяния. По причинам историч. характера рассеяние, определяемое квантовыми микросистемами (молекулами, атомами, электронами), наз. комбинационным, а рассеяние, определяемое макроскопич. флуктуациями среды (плотности, температуры и др. термодинамич. параметров), а также ориентацией молекул в газах, твёрдых телах, жидкостях, наз. молекулярным. Вынужденное комбинационное рассеяние (BKP) может быть: на колебат. уровнях молекул газов, жидкостей, твёрдых тел (1119919-70.jpg 2*1021119919-71.jpg4*103 см-1; коэф. усиления g ~10-21119919-72.jpg10-3 см/МВт; спектральный диапазон лазеров - источников накачки 1119919-73.jpg - от УФ до средних ИК); на вращат. уровнях молекул газов (1119919-74.jpg=(11119919-75.jpg6)*102 см-1; g~10-31119919-76.jpg10-4 см/МВт; 1119919-77.jpg - ближний и средний ИК); на электронных уровнях атомов атомарных газов (пары металлов) (1119919-78.jpg104 см-1, g~10-2 см/МВт; 1119919-79.jpg- от УФ до видимого); на спиновых подуровнях уровней полупроводников, связанное с переворачиванием спина электрона в магн. поле (1119919-80.jpg101119919-81.jpg200 см-1, регулируется магн. полем, 1119919-82.jpg1031119919-83.jpg10-1см/МВт; 1119919-84.jpg- средний ИК: 5, 10, 12 мкм); BKP на поляритонах в ионных кристаллах t1119919-85.jpg(11119919-86.jpg5)*102 см-1, регулируется поворотом кристалла, g=10-2 см/МВт; 1119919-87.jpg - видимый]. К молекулярному вынужденному рассеянию относятся: вынужденное рассеяние Мандельштама - Бриллюэна (BPMB), происходящее на гиперзвуковых волнах в газах, жидкостях, твёрдых телах, плазме [1119919-88.jpg(11119919-89.jpg10)*10-2 см-1, g=10-11119919-90.jpg10-2 см/МВт; 1119919-91.jpg-от видимого до ближнего ИК]; вынужденное рассеяние крыла линии Рэлея (BPKP), связанное с анизотропией молекул жидкостей и газов (1119919-92.jpg11119919-93.jpg102 см-1; 1119919-94.jpg10-3 см/МВт; 1119919-95.jpg - видимый); вынужденное температурное рассеяние (BTP) на температурных волках, обусловленное поглощением света (BTP-1) или электрокалорическим эффектом (ВТР-2) в жидкостях и газах (1119919-96.jpg10-3 см/МВт, 1119919-97.jpg - видимый); вынужденное концентрационное рассеяние на волнах концентрации в смесях разл. жидкостей или газов (1119919-98.jpg11119919-99.jpg10 см-1; 1119919-100.jpg 10-3 см/МВт; 1119919-101.jpg - видимый). Выражение коэф. усиления g через измеряемые величины зависит от вида вынужденного рассеяния света. Так, напр., для BKP

1119919-102.jpg

где 1119919-103.jpg- длина волны стоксовой компоненты, N (см-3) - разность населённостей осн. и возбуждённого уровней. Для ВРМБ

1119919-104.jpg

где 1119919-105.jpg - скорость звука, п - показатель преломления среды, 1119919-106.jpg - угол рассеяния (рассеяние назад соответствует 1119919-107.jpg ), 1119919-108.jpg - плотность среды, 1119919-109.jpg - её диэлектрич. проницаемость.

Усиление рассеянного света происходит до тех пор, пока можно пренебречь эффектами насыщения. Преобразование излучения накачки в стоксовы и антистоксовы компоненты уменьшает мощность (и энергию) накачки, а следовательно, и её интенсивность, что приводит к уменьшению усиления (т.н. насыщение по накачке).

К уменьшению коэф. усиления приводит также выравнивание населённости верх. и ниж. рабочих уровней (рис. 2), к-рое происходит, если объёмная скорость преобразования фотонов накачки велика по сравнению со скоростью релаксации в среде (т. н. насыщение среды).

Вынужденное рассеяние света, в отличие от спонтанного, даёт возможность достичь высокой степени когерентности рассеянного света, т. к. состояние рассеянного фотона уже задаётся фотоном, содержащимся в определ. моде. Это означает, что излучение любого центра рассеяния находится в фазе с уже имеющимся рассеянным светом. В этом смысле вынужденного рассеяния света аналогично вынужденному излучению при резонансном взаимодействии излучения с атомами и молекулами. Точно так же степень когерентности при вынужденном рассеянии света во много раз выше степени когерентности спонтанно рассеянного света.

Большой диапазон ширин линий, разнообразные возможности концентрации световой энергии в разл. средах приводят к тому, что вынужденное рассеяние света наблюдается не только в поле мощных импульсов одномодовых лазеров, но и в поле лазеров непрерывного действия, возбуждающем вынужденном рассеянии света в волоконных световодах. BKP в волоконных световодах может наблюдаться при мощности накачки 1119919-110.jpg0 1 Вт; спектр BKP в кварцевых стёклах широк, и с помощью дисперсионного элемента можно осуществлять перестройку частоты ~300 см-1. Поэтому на основе BKP в волоконных световодах созданы перестраиваемые в ближней ИК-области спектра волоконные генераторы лазерного излучения.

Интересные физ. и прикладные возможности связаны с вынужденным рассеянием света пикосекундных лазерных импульсов - нестационарным BKP, возникающим в условиях, когда длительность импульса сравнима с временем релаксации фазы элементарного возбуждения, ответственного за рассеяние [5]. В этих случаях часто возникают эффекты инерц. запаздывания, сужения стоксова импульса и др.

Вынужденное рассеяние света наблюдается и при "шумовой" накачке - оптич. излучении, обладающем низкой пространственной и временной когерентностью [6]. В этом случае вынужденного рассеяния света может быть использовано для повышения степени когерентности.

Вынужденное рассеяние света нашло широкое практич. применение в комбинационных лазерах для эффективного преобразования частоты лазерного излучения; в активной лазерной спектроскопии, позволяющей проводить количеств. и качеств. газовый анализ, локальную диагностику параметров плазмы и т. п.; в задачах по обращению волнового фронта.

Литература по вынужденному рассеянию света

  1. Бломберген Н., Вынужденное комбинационное рассеяние света, пер. с англ., "УФН", 1969, т. 97, в. 2;
  2. Старунов В. С., Фабелинский И. Л., Вынужденное рассеяние Мандельштама-Бриллюэна и вынужденное энтропийное (температурное) рассеяние света, "УФН", 1969, т. 98, в. 3;
  3. Грасюк А. 3., Генерация и усиление света на основе вынужденного рассеяния, "Тр. ФИАН", 1974, т. 76, с. 75;
  4. Ахманов С. А., Коротеев H. И., Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света, M., 1981;
  5. Остон Д., Пикосекундная нелинейная оптика, в кн.: Сверхкороткие световые импульсы, под ред. С. Шапиро, пер. с англ., M., 1981;
  6. Ахманов С. А., Дьяков Ю. E., Чиркин А. С., Введение в статистическую радиофизику и оптику, M., 1981.

А. 3. Грасюк

к библиотеке   к оглавлению   FAQ по эфирной физике   ТОЭЭ   ТЭЦ   ТПОИ   ТИ  

Знаете ли Вы, что, как и всякая идолопоклонническая религия, релятивизм представляет собой инструмент идеологического подчинения одних людей другим с помощью абсолютно бессовестной манипуляции их психикой для достижения интересов определенных групп людей, стоящих у руля этой воровской машины? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.

НОВОСТИ ФОРУМАФорум Рыцари теории эфира
Рыцари теории эфира
 03.12.2019 - 22:04: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Марины Мелиховой - Карим_Хайдаров.
03.12.2019 - 11:12: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Ю.Ю. Болдырева - Карим_Хайдаров.
30.11.2019 - 19:55: ТЕОРЕТИЗИРОВАНИЕ И МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ - Theorizing and Mathematical Design -> ФУТУРОЛОГИЯ - прогнозы на будущее - Карим_Хайдаров.
30.11.2019 - 18:13: СОВЕСТЬ - Conscience -> РУССКИЙ МИР - Карим_Хайдаров.
29.11.2019 - 08:14: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Декларация Академической Свободы - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:31: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> КОМПЬЮТЕРНО-СЕТЕВАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:30: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> ЗА НАМИ БЛЮДЯТ - Карим_Хайдаров.
27.11.2019 - 08:27: НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - New Technologies -> ПРОБЛЕМА ИСКУССТВЕННОГО ИНТЕЛЛЕКТА - Карим_Хайдаров.
23.11.2019 - 12:17: ЭКОЛОГИЯ - Ecology -> ЭКОЛОГИЯ ДЛЯ ВСЕХ - Карим_Хайдаров.
19.11.2019 - 09:07: ВОСПИТАНИЕ, ПРОСВЕЩЕНИЕ, ОБРАЗОВАНИЕ - Upbringing, Inlightening, Education -> Просвещение от Андрея Маклакова - Карим_Хайдаров.
18.11.2019 - 19:10: ВОЙНА, ПОЛИТИКА И НАУКА - War, Politics and Science -> Проблема государственного терроризма - Карим_Хайдаров.
Bourabai Research Institution home page

Bourabai Research - Технологии XXI века Bourabai Research Institution