Вынужденное рассеяние света

Вынужденное рассеяние света – это рассеяние света в среде, вызванное изменением движения входящих в её состав микрочастиц (электронов, атомов, молекул), происходящих как под влиянием падающей световой волны, так и самого рассеянного излучения. Вынужденное рассеяние света обусловлено нелинейным взаимодействием сильного электромагнитного поля излучения с электромагнитным полем атомов физической среды (например – в стекловолокне). Свет рассеивается на элементарных возбуждениях среды, индуцированных рассеиваемой средой. При возбуждении (индуцировании) среды мощным световым источником происходит модуляция ее параметров, что приводит к амплитудной модуляции рассеянного света, а, следовательно, к появлению в нем новых спектральных компонентов. Их называют стоксовыми и антистоксовыми компонентами. Взаимодействие световой волны с инверсной средой в литературе получило название фотон - фононное взаимодействие. При этом фононом называют квант энергии, возникающий в процессе рассеяния фотона. Различают вынужденное комбинационное рассеяние (ВКР), происходящее при участии либо внутримолекулярных колебаний атомов, либо вращении молекул, либо движений электронов внутри атомов; вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна (ВРМБ), в котором участвуют упругие смещения молекул (т. е. звуковые или гиперзвуковые волны); вынужденное рассеяние света на поляритонах (связанных колебаниях молекул и электромагнитного поля) и т.д. Вынужденное рассеяние света наблюдается в твёрдых телах, жидкостях и газах.

ВКР связано с возбуждением новых колебательных уровней частиц среды (электронов) и в меньшей степени – вращательных энергетических уровней этих частиц. Оно наблюдается при мощностях накачки более 1 Вт. ВРМБ наблюдается уже при мощности более 1 мВт.

ВРМБ приводит к появлению в среде гиперзвуковых волн, интенсивность которых зависит от частоты следования импульсов накачки и для импульсов короче 10 нс может почти исчезнуть. В отличие от ВКР, излучение, рассеянное по механизму Мандельштама – Бриллюэна распространяется только в направлении, противоположном подающему.

Если интенсивность падающего света невелика, в среде происходит спонтанное рассеяние света, при котором изменение движения микрочастиц происходит только под влиянием поля падающей волны. Интенсивность рассеянного света при этом мала (в 1 см³ 10^-8—10^-6 от интенсивности падающего света), а его частота ω' отличается от частоты падающего света на величину Δω, равную частоте колебаний микрочастиц.

При очень большой интенсивности падающего света в среде проявляются нелинейные эффекты. На её микрочастицы действуют не только силы с частотами падающего ω и рассеянного ω' излучений, но также сила, действующая на разностной частоте Δω, т. е. на частоте собственных колебаний микрочастиц, что приводит к резонансному возбуждению колебаний. Рассмотрим это на примере вынужденного комбинационного рассеяния с участием внутримолекулярных колебаний атомов. Под влиянием суммарного электрического поля падающего и рассеянного света молекула поляризуется, у неё появляется электрический дипольный момент, пропорциональный суммарной напряжённости электрического поля падающей и рассеянной волн. Потенциальная энергия атомных ядер при этом изменяется на величину, пропорциональную произведению дипольного момента на квадрат напряжённости суммарного электрического поля. Вследствие этого внешняя сила, действующая на ядра, содержит компоненту с разностной частотой Δω, что вызывает резонансное возбуждение колебаний атомов. Это, в свою очередь, приводит к увеличению интенсивности рассеянного излучения, что вновь усиливает колебания микрочастиц, и т.д. Таким образом, сам рассеянный свет вынуждает (стимулирует) дальнейший процесс рассеяния. Именно поэтому такое рассеяние называется вынужденным (стимулированным). Интенсивность рассеянного света может быть порядка интенсивности падающего.

Возбуждение внутримолекулярных колебаний при вынужденном комбинационном рассеянии (гиперзвука при ВРМБ и т.д.) происходит в тех случаях, когда вынужденное рассеяние света протекает в веществе, состояние которого близко к равновесному. При этом частота ω' рассеянного света оказывается меньше частоты ω падающего излучения: ω` = ω — Δω (стоксов процесс). Однако при вынужденном рассеянии света возможно не только возбуждение движения микрочастиц, но и его подавление, если первоначальное состояние вещества не является равновесным. При этом ω` = ω + Δω (антистоксов процесс).

Если при вынужденном рассеянии света рассеянное излучение выходит из рассеивающего объёма без отражений от его границ, то рассеянный свет, как и в случае спонтанного рассеяния света, является некогерентным, а угловое распределение рассеянного света зависит от формы рассеивающего тела, например, для удлинённых форм рассеянное излучение сосредоточено главным образом вдоль его оси. Если же рассеивающее тело помещено в оптический резонатор, то в результате многократных отражений рассеянного света от зеркал в резонаторе формируется когерентное излучение на частоте рассеяния ω' (это достигается лишь при значениях интенсивности падающего света, превышающих некоторое пороговое значение). Направленность рассеянного излучения в этом случае определяется конфигурацией резонатора.

Поскольку при вынужденном рассеянии света интенсивности падающего и рассеянного излучений велики (10⁶—10⁹ Вт/см²), то нередко в веществе одновременно с вынужденным рассеянием света проявляются и другие нелинейные эффекты, например, параметрические процессы, приводящие к появлению излучения с целым набором новых частот ω_n = ω + n Δω, где n = ±1, ±2, ±3.... Компоненты с n ≥ 1 называются антистоксовыми компонентами, а с n ≤ —2 — высшими стоксовыми компонентами. Излучение этих компонент после выхода из рассеивателя происходит преимущественно вдоль поверхностей конусов с различными (для различных компонент) малыми углами (1—10°) при вершинах. В изотропной среде оси всех конусов совпадают с направлением рассеиваемого луча. В кристаллах эти конусы могут иметь различную ориентацию, и каждая компонента может излучаться в двух конусах. На фотоплёнке, расположенной за исследуемым образцом перпендикулярно прошедшему лучу частоты ω, образуются кольца, соответствующие различным компонентам вынужденного рассеяния света.

Так как интенсивность рассеянного света при вынужденном рассеянии света может быть порядка интенсивности падающего излучения, то рассеянное излучение, в свою очередь, может стать источником вынужденного рассеяния света. Развитие этого процесса может также привести к возникновению целого ряда компонент, частоты которых будут совпадать с параметрическими частотами ω _n. Однако по другим свойствам они существенно отличаются от параметрического излучения. Иногда в веществе одновременно возникают два (или больше) вида вынужденного рассеяния света влияющих друг на друга.

Вынужденное рассеяние света используется для эффективного преобразования интенсивного излучения лазера в излучение с большей яркостью и другими характеристиками; для возбуждения интенсивного гиперзвука и других видов движения микрочастиц; для изучения микроструктуры вещества.