Большая советсткая энциклопедия Вынужденное рассеяние света

Вынужденное рассеяние света

Вынужденное рассеяние света, рассеяние света в среде, обусловленное изменением движения входящих в её состав микрочастиц (электронов, атомов, молекул), происходящим как под влиянием падающей световой волны, так и самого рассеянного излучения. 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. В. р. с. наблюдается в твёрдых телах, жидкостях и газах.

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 w¢ отличается от частоты падающего света на величину Dw, равную частоте колебаний микрочастиц (см. Комбинационное рассеяние света, Мандельштама — Бриллюэна рассеяние).

При очень большой интенсивности падающего света в среде проявляются нелинейные эффекты (см. Нелинейная оптика). На её микрочастицы действуют не только силы с частотами падающего w и рассеянного w¢ излучений, но также сила, действующая на разностной частоте Dw, 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 Dw, 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 В. р. с. протекает в веществе, состояние которого близко к равновесному. При этом частота w¢ рассеянного света оказывается меньше частоты w падающего излучения: w = w — Dw (стоксов процесс). Однако при В. р. с. возможно не только возбуждение движения микрочастиц, но и его подавление, если первоначальное состояние вещества не является равновесным. При этом = w + Dw (антистоксов процесс).

Если при В. р. с. рассеянное излучение выходит из рассеивающего объёма без отражений от его границ, то рассеянный свет, как и в случае спонтанного рассеяния света, является некогерентным (см. Когерентность), 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 w¢ (это достигается лишь при значениях интенсивности падающего света, превышающих некоторое пороговое значение). Направленность рассеянного излучения в этом случае определяется конфигурацией резонатора.

Поскольку при В. р. с. интенсивности падающего и рассеянного излучений велики (10⁶—10⁹ вт/см²), то нередко в веществе одновременно с В. р. с. проявляются и другие нелинейные эффекты, например, параметрические процессы, приводящие к появлению излучения с целым набором новых частот w_n = w + nDw, где n = ±1, ±2, ±3... (рис. 1). Компоненты с n ³ 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 w, образуются кольца, соответствующие различным компонентам В. р. с. (рис. 2).

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

В. р. с. 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.

Лит.: Луговой В. Н., Введение в теорию вынужденного комбинационного рассеяния, М., 1968; Старунов В. С., Фабелинский И. Л., Вынужденное рассеяние Мандельштама — Бриллюэна и вынужденное энтропийное (температурное) рассеяние света, "Успехи физических наук", 1969, т. 98, в. 3; Зельдович Б. Я., Собельман И. И., Вынужденное рассеяние света, обусловленное поглощением, там же, 1970, т. 101, в. 1.

В. Н. Луговой.