Вынужденное рассеяние света

ВЫНУЖДЕННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА, рассеяние света на элементарных возбуждениях активной среды, создаваемых падающей волной большой интенсивности и самим рассеянным в этой среде излучением. Элементарными возбуждениями являются колебания или вращения молекул, возбуждение атомов вследствие электронных переходов, упругие колебания среды и тому подобное. Активной средой может быть газ, жидкость, твёрдое тело (кристалл, волоконный световод), плазма.

Возможность вынужденного рассеяния света была теоретически предсказана Г. Плачеком ещё в 1934 году. Однако первые успешные эксперименты были проведены лишь в 1962 году после появления лазеров. Вынужденное  рассеяние света наблюдают при облучении активной среды достаточно интенсивным лазерным пучком (накачкой). При этом в выходящем из активной среды пучке в попутном и встречном (относительно пучка накачки) направлениях содержатся новые спектральные компоненты, смещённые относительно частоты накачки v_H в «красную» часть спектра (v_c1 = v_H-Δv_c, v_c2 = v_H-2Δv_c и т.д.) и в «синюю» часть спектра (v_ac1=v_H +  Δv_c, v_ac2 = v_H + 2Δv_c и т. д.). Низкочастотные («красные») компоненты называются стоксовыми, высокочастотные («синие») - антистоксовыми, Δv_c - стоксов сдвиг. В эти компоненты может быть преобразована значительная часть энергии накачки.

Причина возникновения вынужденного рассеяния света - обратное воздействие рассеянных световых волн на рассеивающую среду, обусловленное её оптической нелинейностью. При относительно низкой интенсивности волны накачки происходит спонтанное рассеяние света на случайных элементарных возбуждениях, вызванных тепловыми флуктуациями. При достаточно большой интенсивности накачки происходит также воздействие на среду рассеянных волн. Вследствие этого элементарные возбуждения становятся когерентными. При вынужденном рассеянии света резко возрастает интенсивность и сужаются диаграммы направленности стоксовых и антистоксовых компонент. В случае вынужденного рассеяния света интенсивности рассеянных компонент сравнимы с интенсивностью накачки, а при спонтанном рассеянии они составляют 10^-5-10^-6 интенсивности накачки. Существует столько же видов вынужденного рассеяния света, сколько видов спонтанного рассеяния света. Рассеяние, определяемое квантовыми материальными системами (молекулами, атомами, электронами), называют комбинационным, а рассеяние, связанное с макроскопическими характеристиками среды (плотностью, температурой и т.п.), - молекулярным.

Более наглядно сущность вынужденного рассеяния света можно пояснить на примере широко используемого вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) на колебаниях двухатомных молекул, например, азота N₂, кислорода О₂, водорода Н₂. Квантовая теория рассматривает свет как поток фотонов, а молекулу как двухуровневую квантовую систему, которая может находиться в одном из двух колебательных состояний. В невозбуждённом состоянии молекула находится на нижнем уровне с энергией W₁, а в возбуждённом состоянии - на верхнем уровне с энергией W₂.

Собственная частота колебаний молекулы ω = (W₂ -W₁)/h, где h - постоянная Планка.

Рассеяние света молекулой можно рассматривать как элементарный акт взаимодействия фотонов с двухуровневой квантовой системой. Таких элементарных актов может быть много, так как молекулы могут находиться в возбуждённом и невозбуждённом состояниях и взаимодействовать с фотонами накачки, стоксовой и антистоксовой компонентами. Если молекула находится в невозбуждённом состоянии и взаимодействует с фотоном накачки, то часть его энергии идёт на возбуждение молекулы, она переходит на верхний уровень, и при этом испускается стоксов фотон с энергией hv_c. Этот фотон может попасть в любое состояние поля излучения - моду, которая характеризуется определённой частотой, направлением распространения и поляризацией. Такое рассеяние называется спонтанным стоксовым комбинационным рассеянием.

Картина принципиально меняется, когда в элементарном акте вместе с фотоном накачки участвует внешний (вынуждающий) стоксов фотон. Статистические свойства фотона таковы, что, рождаясь, он попадает в ту же моду, в которой находится вынуждающий фотон, участвующий в его рождении. Поэтому стоксов фотон, образовавшийся при рассеянии, является точной копией внешнего вынуждающего фотона. Таким образом, в результате этого элементарного акта число стоксовых фотонов удваивается - происходит усиление стоксовой компоненты, и оба фотона находятся в одной моде, то есть когерентны. Такое усиление рассеянного света в активной среде под действием накачки и есть характерный признак вынужденного рассеяния света. Усиление интенсивности I_c стоксовой компоненты в активной среде длиной L происходит по экспоненциальному закону: I_c(L) =  I_c(0)exp(gI_HL), где I_c(0)  - интенсивность стоксовой компоненты на входе в активную среду, I_H - интенсивность накачки, g - коэффициент усиления, зависящий от свойств среды и частот v_c и v_H. При таком усилении все фотоны накачки могут быть преобразованы в стоксовы. Вынужденное  рассеяние света позволяет превращать многомодовое излучение накачки в одномодовое когерентное излучение стоксовой компоненты. В результате такого преобразования можно многократно повышать яркость лазерного излучения, осуществлять когерентное суммирование излучения нескольких источников накачки в одном пространственно-когерентном пучке стоксовой компоненты.

Если фотон накачки взаимодействует с возбуждённой молекулой, то в результате акта рассеяния она переходит в невозбуждённое состояние и рождается антистоксов фотон. Далее аналогичным образом возможно вынужденное антистоксово рассеяние. Но обычно большинство молекул находится в невозбуждённом состоянии, поэтому при ВКР преобладает стоксово рассеяние.

ВКР может происходить на колебательных уровнях молекул газов, жидкостей, твёрдых тел; на вращательных уровнях молекул газов; на электронных уровнях атомарных газов (пары металлов); на спиновых подуровнях уровней Ландау полупроводников. К вынужденному молекулярному рассеянию относятся: вынужденное рассеяние Мандельштама - Бриллюэна, происходящее на гиперзвуковых волнах в газах, жидкостях и твёрдом теле; вынужденное рассеяние света на крыле линии Рэлея, связанное с анизотропией молекул жидкостей и газов; вынужденное тепловое рассеяние на температурных волнах, на волнах концентрации.

Вынужденное  рассеяние света имеет большое практическое применение. Оно используется для преобразования частоты лазерного излучения, повышения плотности энергии и интенсивности излучения, для улучшения направленности лазерного излучения, при обращении волнового фронта, для усиления сигналов в системах волоконной оптической связи и др.

Лит.: Фабелинский И. Л. Молекулярное рассеяние света. М., 1965; Ахманов С. А., Коротеев Н. И. Методы нелинейной оптики в спектроскопии рассеяния света. М., 1981; Сущинский М. М. Вынужденное рассеяние света. М., 1985.