Dispersión de Brillouin - Brillouin scattering

La dispersión de Brillouin (también conocida como dispersión de luz de Brillouin o BLS ), llamada así por Léon Brillouin , se refiere a la interacción de la luz con las ondas materiales en un medio. Está mediado por la dependencia del índice de refracción de las propiedades materiales del medio; como se describe en óptica , el índice de refracción de un material transparente cambia bajo deformación (compresión-distensión o cizallamiento-sesgo).

El resultado de la interacción entre la onda de luz y la onda de deformación portadora es que una fracción de la onda de luz transmitida cambia su momento (por lo tanto, su frecuencia y energía) en direcciones preferenciales, como por difracción causada por un 3- rejilla de difracción dimensional .

Si el medio es un cristal sólido, un condensado de cadena macromolecular o un líquido o gas viscoso, entonces las ondas de deformación de la cadena atómica de baja frecuencia dentro del medio de transmisión (no la onda electromagnética transmitida) en el portador (representado como una cuasipartícula ) podría ser, por ejemplo:

  1. modos de oscilación de masa (acústicos) (llamados fonones );
  2. modos de desplazamiento de carga (en dieléctricos, llamados polaritones );
  3. Modos de oscilación de espín magnético (en materiales magnéticos, llamados magnones ).

Mecanismo

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Desde la perspectiva de la física del estado sólido , la dispersión de Brillouin es una interacción entre una onda electromagnética y una de las tres ondas reticulares cristalinas mencionadas anteriormente. La dispersión es inelástica, es decir, el fotón puede perder energía ( proceso de Stokes ) y en el proceso crear uno de los tres tipos de cuasipartículas ( fonón , polaritón , magnón ) o puede ganar energía (proceso anti-Stokes) al absorber uno de esos tipos de cuasipartículas. . Tal cambio en la energía de los fotones, correspondiente a un cambio de Brillouin en la frecuencia, es igual a la energía de la cuasipartícula liberada o absorbida. Por lo tanto, la dispersión de Brillouin se puede utilizar para medir las energías, longitudes de onda y frecuencias de varios tipos de oscilación de la cadena atómica ('cuasipartículas'). Para medir un desplazamiento de Brillouin se utiliza un dispositivo comúnmente empleado llamado espectrómetro de Brillouin , cuyo diseño se deriva de un interferómetro de Fabry-Pérot .

Contraste con la dispersión de Rayleigh

También se puede considerar que la dispersión de Rayleigh se debe a fluctuaciones en la densidad, composición y orientación de las moléculas dentro del medio de transmisión y, por lo tanto, de su índice de refracción, en pequeños volúmenes de materia (particularmente en gases o líquidos). La diferencia es que la dispersión de Rayleigh involucra solo las fluctuaciones térmicas aleatorias e incoherentes, en contraste con las fluctuaciones periódicas correlacionadas (fonones) que causan la dispersión de Brillouin. Además, la dispersión de Rayleigh es elástica porque no se pierde ni se gana energía.

Contraste con la dispersión Raman

La dispersión Raman es otro fenómeno que implica la dispersión inelástica de la luz causada por las propiedades vibratorias de la materia. El rango detectado de cambios de frecuencia y otros efectos son muy diferentes en comparación con la dispersión de Brillouin. En la dispersión Raman, los fotones se dispersan por el efecto de transiciones vibratorias y rotacionales en los enlaces entre átomos vecinos de primer orden, mientras que la dispersión de Brillouin resulta de la dispersión de fotones causada por fonones de baja frecuencia a gran escala . Los efectos de los dos fenómenos proporcionan información muy diferente sobre la muestra: la espectroscopia Raman se puede utilizar para determinar la composición química y la estructura molecular del medio de transmisión, mientras que la dispersión de Brillouin se puede utilizar para medir las propiedades del material a mayor escala, como su elasticidad. comportamiento. Los cambios de frecuencia de la dispersión de Brillouin, una técnica conocida como espectroscopia de Brillouin , se detectan con un interferómetro, mientras que la dispersión Raman utiliza un interferómetro o un espectrómetro de dispersión ( rejilla ) .

Dispersión de Brillouin estimulada

Para haces de luz intensos (p. Ej. Láser ) que viajan en un medio o en una guía de ondas , como una fibra óptica , las variaciones en el campo eléctrico del propio haz pueden inducir vibraciones acústicas en el medio mediante electrostricción o presión de radiación . El haz puede mostrar la dispersión de Brillouin como resultado de esas vibraciones, generalmente en la dirección opuesta al haz entrante, un fenómeno conocido como dispersión de Brillouin estimulada (SBS). Para líquidos y gases, los cambios de frecuencia que se crean típicamente son del orden de 1 a 10 GHz, lo que resulta en cambios de longitud de onda de ~ 1 a 10 pm en la luz visible . La dispersión de Brillouin estimulada es un efecto mediante el cual puede tener lugar la conjugación de fase óptica .

Descubrimiento

La dispersión inelástica de la luz causada por fonones acústicos fue predicha por primera vez por Léon Brillouin en 1922. Se cree que Leonid Mandelstam reconoció la posibilidad de tal dispersión ya en 1918, pero publicó su idea solo en 1926. Para darle crédito a Mandelstam, el El efecto también se denomina dispersión de Brillouin-Mandelstam (BMS). Otros nombres de uso común son dispersión de luz Brillouin (BLS) y dispersión de luz Brillouin-Mandelstam (BMLS).

El proceso de dispersión de Brillouin estimulada (SBS) fue observado por primera vez por Chiao et al. en 1964. El aspecto de conjugación de fase óptica del proceso SBS fue descubierto por Boris Yakovlevich Zeldovich et al. en 1972.

Detección de fibra óptica

La dispersión de Brillouin también se puede emplear para detectar la tensión mecánica y la temperatura en las fibras ópticas.

Ver también

Referencias

Notas

Fuentes

  • Brillouin, Léon (1922). "Diffusion de la lumière et des rayons X par un corps transparent homogène". Annales de Physique . Ciencias EDP. 9 (17): 88-122. doi : 10.1051 / anphys / 192209170088 . ISSN   0003-4169 .
  • LI Mandelstam , Zh. Russ. Fiz-Khim. , Ova. 58, 381 (1926).
  • Chiao, RY; Townes, CH; Stoicheff, BP (25 de mayo de 1964). "Dispersión de Brillouin estimulada y generación coherente de ondas hipersónicas intensas". Cartas de revisión física . Sociedad Estadounidense de Física (APS). 12 (21): 592–595. doi : 10.1103 / physrevlett.12.592 . ISSN   0031-9007 .
  • B.Ya. Zel'dovich, VIPopovichev, VVRagulskii y FSFaisullov, "Conexión entre los frentes de onda de la luz reflejada y excitante en la dispersión estimulada de Mandel'shtam Brillouin", Sov. Phys. JETP , 15 , 109 (1972)

enlaces externos