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拉曼散射是什么

2019年9月26日 分類:技術(shù)解答

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透明光學(xué)介質(zhì)對通過介質(zhì)傳播的光的光學(xué)強(qiáng)度的非線性響應(yīng)非常快,但不是瞬時的。特別是,非瞬時響應(yīng)是由晶格(或玻璃)的振動引起的。當(dāng)這些振動與光學(xué)聲子相關(guān)時,這種效應(yīng)稱為拉曼散射,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(通常具有相同偏振方向)的兩個激光束通過拉曼活性介質(zhì)一起傳播時,較長波長的光束(稱為斯托克斯波))可以以較短的波長光束為代價進(jìn)行光放大。另外,晶格振動被激發(fā),導(dǎo)致溫度升高。較長波長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/旋轉(zhuǎn)激發(fā),并且觀察到的斯托克斯位移與那些相關(guān)。

在拉曼散射過程中,一個泵浦光子被轉(zhuǎn)換為一個較低能量的信號光子,并且光子能量的差被聲子帶走(晶格振動的量子)。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)生一個較高能量的光子,該光子屬于較短波長的反斯托克斯波。但是,該過程通常較弱,特別是在低溫下。但是請注意,如果該過程是相位匹配的,則四波混頻也會產(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,該波可能再次充當(dāng)泵用于進(jìn)一步的拉曼過程。特別是在某些拉曼激光器中,可以觀察到多個斯托克斯階數(shù)(級聯(lián)拉曼激光器)。

拉曼散射也稱為非彈性散射,因為所涉及的光子能量損失在某種程度上讓人聯(lián)想到機(jī)械物體碰撞中的動能損失。

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)移向更長的波長(拉曼自頻移,也稱為孤子自頻移)。

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?32,各種鎢酸鹽,例如KGd(WO?42?= KGW和KY(WO?42?= KYW,以及合成金剛石

拉曼效應(yīng)與克爾效應(yīng)同時發(fā)生,后者是由于電子的(幾乎)瞬時響應(yīng)而產(chǎn)生的。

圖1:?光纖放大器中脈沖頻譜的演變。在右端附近,受激拉曼散射將很大一部分功率轉(zhuǎn)移到更長的波長分量中。作為案例研究的一部分,使用軟件RP Fiber Power進(jìn)行了仿真。
圖2:?拋物線折射率多模光纖中的光功率演變,通過RP Fiber Power軟件的數(shù)字光束傳播功能進(jìn)行了仿真,作為案例研究的一部分。信號波被強(qiáng)烈放大,而泵浦波被嚴(yán)重耗盡。轉(zhuǎn)換過程涉及多種模式。

在諸如強(qiáng)脈沖的光纖放大器之類的光纖設(shè)備中,拉曼散射可能是有害的:它會將大部分脈沖能量轉(zhuǎn)移到不會發(fā)生激光放大的波長范圍內(nèi)。這種影響可能會限制此類設(shè)備可實現(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題。但是,對于此類問題有多種解決方案,包括chi脈沖放大和使用特殊的光纖設(shè)計),這些設(shè)計通過衰減拉曼位移的波長分量來抑制拉曼散射。

在諸如某些非線性晶體材料之類的塊狀介質(zhì)中,如果泵浦強(qiáng)度相當(dāng)高并且光束寬度足夠大,那么即使通過非共線相位匹配,也會發(fā)生不希望的受激拉曼散射。例如,在以強(qiáng)泵浦脈沖運行的光學(xué)參數(shù)發(fā)生器中,可能會發(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模式和分子的振動/旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。

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