Рассеяние Мандельштама – Бриллюэна – дифракция оптического преломления света конденсированными средами (жидкостями и твердыми телами) в результате его взаимосвязи с собственными упругими колебаниями этих пространств.
Это явление часто сопровождается изменением частот, которые характеризуют излучение световых лучей. Например, рассеяние Мандельштама – Бриллюэна монохроматического света в кристаллах приводит к возникновению сразу шести частотных компонентов рассеянного вещества. Сравнительно мощное взаимодействие между элементарными частицами конденсированных сред в итоге приводит к тому, что по разным направлениям в пространстве распределяются упругие волны, напряжение которых вызывает появление флуктуации плотности среды, на которых и рассеивается луч света.
Рассеяние Мандельштама – Бриллюэна доказывает, что световые оси тесно связаны с постоянными волнами, обычно не наблюдаемыми по отдельности. Особенно нагляден физический эффект в кристаллах. В них упругие элементы одинаковой частоты, движущиеся навстречу друг другу, формируют стоячие волны той же частоты, создавая дифракцию света. Такое явление аналогично световому рассеянию на ультразвуке.
История возникновения
Изучение спектров рассеянного свет было начато боле сорок лет назад, и еще до появления различных лазерных источников возбуждения были установлены основные характеристики рассеяния Мандельштама – Бриллюэна.
Экспериментально данный процесс впервые наблюдалось Мандельштамом и Г. С. Ландсбергом в 1930 году. Затем более детально его исследовал и описал Е. Ф. Гросс. В частности, ученый обнаружил, что рассеяние света в кристаллах расщепляет монохроматическую линию на шесть компонентов, каждая из которых распространяется с определенной скоростью. Он же изучил поведение световой дифракции в жидкостях и аморфных твердых телах, при котором наряду с двумя переменными возникает и несмещенный элемент исходной частоты. Теоретические объяснение этого явления принадлежит Л. Д. Ландау и чешскому физику-теоретику Г. Плачеку, которые в 1938 году показали, что, помимо флуктуации плотности сред, необходимо учитывать и изменения температуры пространства.
Создание и внедрение лазеров значительно улучшило возможности наблюдения рассеяния Мандельштама — Бриллюэна, что в результате привело ученых к открытию так называемого вынужденного рассеяния Мандельштама — Бриллюэна (ВРМБ).
Этот эффект отличается более качественными особенностями и большей интенсивностью. Исследования данного открытия в сочетании с другими методами предоставляют ценную информацию о свойствах постоянно рассеивающих сред. ВРМБ применяется для генерации сверхвысоких гиперзвуковых волн в ряде технических теорий.
Рисунок 1. Неупругое рассеяние Мандельштама — Бриллюэна. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Особенности рассеяния Мандельштама – Бриллюэна
Возможность исследуемого рассеяния следует из стабильного взаимодействия фотонов с колебательными и акустическими квантами (фононы).
Рассеяние Мандельштама – Бриллюэна вызывается дифракцией в плоскости монохроматических волн света непосредственными колебаниями плотности, среди которых:
- постоянные тепловые волны;
- звуковые фотоны;
- акустические фононы.
При прохождении звуковой волны через определенную среду формируются периодические и кардинальные изменения плотности среды. На этих структурах возможна дифракция светового луча.
При дифракции на звуковой волне возникают только параметры максимумы первого порядка. Амплитуда любой дифрагированной волны автоматически изменяется вместе с величиной пропускания света и показателем преломления среды, обусловленным периодическим изменением пространства в акустической волне. Следовательно, амплитуда трансформируется в гармонический процесс с частотой звуковой волны.
Рисунок 2. Нелинейные эффекты в волокнах. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Таким образом, в рассеянном свете должны наблюдаться две стабильные частоты, которые расположены симметрично относительно главной частоты. Такие компоненты и являются основными компонентами рассеяния Мандельштама-Бриллюэна.
Интенсивность вынужденного рассеяния Мандельштама — Бриллюэна
При вынужденном рассеянии Бриллюэна-Мандельштама сигнал лазерного прибора создает универсальные периодические сферы с переменным параметром преломления, то есть дифракционную постоянную решетку, движущуюся от оптического пучка света до акустической волны. Вызванные этой виртуальной решеткой изменения усиливаются, а затем обнаруживаются в качестве обратно рассеянного светового луча с доплеровским понижением частоты (сдвигом исключительно в область длинных волн).
Такое физическое явление может приводить к значительному и неожиданному повышению уровня шумов и хаотичности распространения оптического сигнала, так как большая часть его мощности начинает рассеиваться назад.
При вынужденном ВРМБ лазерный сигнал формирует универсальные частоты, способные сильно изменить положение среды, в которой они функционируют.
Большой интерес представляет исследование зависимостей интегральной интенсивности света от времен жизни фононов в вынужденном рассеянии Мандельштама — Бриллюэна. Напряженность возбуждающего света, длина сферы нелинейного взаимодействия находятся в зависимости от мгновенных изменений пространства. В такой среде изменяется интенсивность светового луча. Этот вопрос начал изучаться учеными только в последнее время.
На сегодняшний день известны результаты исследований, доказывающих реальность сопоставления фактов с теорией:
- зависимость интенсивности ВРМБ от времени жизни фононов;
- подчиненность параметров вынужденного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама от напряженности вектора света и длины области нелинейного взаимодействия;
- зависимость мгновенной мощности ВРМБ от нестабильности возбуждающего света.
Исследования физиков, связанные с интенсивностью гиперзвука, генерируемого при данном явлении, показывают достаточно хорошие результаты, которые стопроцентно подтверждают эксперимент с предсказаниями стационарно теории. Таким образом, единственно показатель измерения интенсивности гиперзвука, наблюдаемого в стационарном режиме, согласуется с измерениям напряженности сред ВРМБ и теоретическим расчетом. Можно утверждать, что дальнейшее изучение гармонии гиперзвука в вынужденном рассеянии Бриллюэна-Мандельштама даст интересные доказательства значимости нелинейной и молекулярной акустики.
