拉曼散射是什么
透明光學(xué)介質(zhì)對(duì)通過(guò)介質(zhì)傳播的光的光學(xué)強(qiáng)度的非線性響應(yīng)非???,但不是瞬時(shí)的。特別是,非瞬時(shí)響應(yīng)是由晶格(或玻璃)的振動(dòng)引起的。當(dāng)這些振動(dòng)與光學(xué)聲子相關(guān)時(shí),這種效應(yīng)稱(chēng)為拉曼散射,而聲學(xué)聲子與布里淵散射相關(guān)。例如,當(dāng)具有不同波長(zhǎng)(通常具有相同偏振方向)的兩個(gè)激光束通過(guò)拉曼活性介質(zhì)一起傳播時(shí),較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光束(稱(chēng)為斯托克斯波))可以以較短的波長(zhǎng)光束為代價(jià)進(jìn)行光放大。另外,晶格振動(dòng)被激發(fā),導(dǎo)致溫度升高。較長(zhǎng)波長(zhǎng)光束的拉曼增益可以在拉曼放大器和拉曼激光器中利用。如果斯托克斯頻移對(duì)應(yīng)于幾太赫茲的頻率差,則該增益可能是可觀的。
拉曼散射不僅可以在固體材料中發(fā)生,而且可以在液體或氣體中發(fā)生。例如,分子玻璃具有振動(dòng)/旋轉(zhuǎn)激發(fā),并且觀察到的斯托克斯位移與那些相關(guān)。
在拉曼散射過(guò)程中,一個(gè)泵浦光子被轉(zhuǎn)換為一個(gè)較低能量的信號(hào)光子,并且光子能量的差被聲子帶走(晶格振動(dòng)的量子)。原則上,已經(jīng)存在的聲子??也可能與泵浦光子相互作用,以產(chǎn)生一個(gè)較高能量的光子,該光子屬于較短波長(zhǎng)的反斯托克斯波。但是,該過(guò)程通常較弱,特別是在低溫下。但是請(qǐng)注意,如果該過(guò)程是相位匹配的,則四波混頻也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反斯托克斯光。
當(dāng)所產(chǎn)生的斯托克斯波的強(qiáng)度變得足夠高時(shí),該波可能再次充當(dāng)泵用于進(jìn)一步的拉曼過(guò)程。特別是在某些拉曼激光器中,可以觀察到多個(gè)斯托克斯階數(shù)(級(jí)聯(lián)拉曼激光器)。
拉曼散射也稱(chēng)為非彈性散射,因?yàn)樗婕暗墓庾幽芰繐p失在某種程度上讓人聯(lián)想到機(jī)械物體碰撞中的動(dòng)能損失。
除了可以用經(jīng)典物理學(xué)描述的上述受激拉曼散射效應(yīng)外,還存在由量子效應(yīng)引起的自發(fā)拉曼散射。
拉曼散射也可能發(fā)生在例如超短光脈沖的寬光譜內(nèi),從而有效地將脈沖的光譜包絡(luò)移向更長(zhǎng)的波長(zhǎng)(拉曼自頻移,也稱(chēng)為孤子自頻移)。
一些典型的拉曼活性介質(zhì)是
- 某些分子氣體,例如氫氣(H?2),甲烷(CH?4)和二氧化碳(CO?2),用于拉曼移位器的高壓電池中
- 固態(tài)介質(zhì),例如玻璃纖維或某些晶體,例如氮化鋇= Ba(NO?3)2,各種鎢酸鹽,例如KGd(WO?4)2?= KGW和KY(WO?4)2?= KYW,以及合成金剛石
拉曼效應(yīng)與克爾效應(yīng)同時(shí)發(fā)生,后者是由于電子的(幾乎)瞬時(shí)響應(yīng)而產(chǎn)生的。
在諸如強(qiáng)脈沖的光纖放大器之類(lèi)的光纖設(shè)備中,拉曼散射可能是有害的:它會(huì)將大部分脈沖能量轉(zhuǎn)移到不會(huì)發(fā)生激光放大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。這種影響可能會(huì)限制此類(lèi)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的峰值功率。即使在連續(xù)波大功率光纖激光器和放大器中,拉曼散射也可能成為問(wèn)題。但是,對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題有多種解決方案,包括chi脈沖放大和使用特殊的光纖設(shè)計(jì)),這些設(shè)計(jì)通過(guò)衰減拉曼位移的波長(zhǎng)分量來(lái)抑制拉曼散射。
在諸如某些非線性晶體材料之類(lèi)的塊狀介質(zhì)中,如果泵浦強(qiáng)度相當(dāng)高并且光束寬度足夠大,那么即使通過(guò)非共線相位匹配,也會(huì)發(fā)生不希望的受激拉曼散射。例如,在以強(qiáng)泵浦脈沖運(yùn)行的光學(xué)參數(shù)發(fā)生器中,可能會(huì)發(fā)生這種情況。
拉曼散射也用于拉曼光譜。特別是,它允許人們研究固體材料的振動(dòng)模式和分子的振動(dòng)/旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。
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