Спонтанное комбинационное ( СКР ), или рамановское , рассеяние

Продолжим начатое в разделе 6.1 рассмотрение энергетических квантовых состояний вещества. В том разделе из всей совокупности энергетических состояний, в которых могут находиться микрочастицы, рассматривались среднестатистические уровни. Для перевода молекул с такими энергетическими состояниями на более высокий энергетический уровень энергии фотона (во всяком случае, инф­ракрасного диапазона) недостаточно. Однако, наряду со среднестатистическими, в веществе имеется немало микрочастиц с более высокими значениями энергетических состояний (или уровней). При взаимодействии с такой частицей, колеблющейся с собственной частотой со_м, фотон с энергией Е„ = hv_H переводит эту микрочастицу в состояние с более высоким энергетическим уровнем. При этом фотон отдает ей часть своей энергии, а сам переходит в состояние с более низким уровнем энергии:

(6.25)

здесь h — постоянная Планка, у„ — начальная частота фотона, v_c — частота нового фотона, а_м — собственная частота колебаний молекулы.

Из выражения 6.21 следует, что частота вновь рожденного фотона меньше начального на частоту собственных колебаний микрочастицы. В результате такого взаимодействия микрочастица получает порцию энергии — толчок или импульс. Этот импульс передается соседним молекулам, вызывая упругие колебания в веществе, которые являются ничем иным как звуковыми колебаниями. Согласно квантовой теории [81, 82], как и электромагнитные колебания, упругие колебания также квантованы, т. е. их энергетический спектр, как и у фотонов, не может быть непрерывным, он является дискретным. Как известно, кванты электромагнитной энергии называются фотонами, кванты энергии упругих колебаний — фононами. В результате взаимодействия фотона hv_H и микрочастицы не только рождается новый фотон hv_c и фонон ha_M, но, получив импульс, микрочастица изменяет ориентацию результирующего вектора напряженности электрического поля, т. е. изменяется состояние поляризации этой микрочастицы. Микрочастицы совершают Два типа колебаний — вращательные и продольные. Вращательные колебания микрочастиц изменяют, траекторию (направление) движения рожденного фотона, Делая ее отличной от траектории первоначального фотона. Согласно данным ра­боты [95], в веществе существует некоторое количество микрочастиц, энергетиче­ский уровень которых существенно выше среднестатистического (таких частиц примерно 0,7% от общего числа). При столкновении с такой частицей фотон неотдает, а получает от нее порцию (квант) энергии в соответствии с соотноше­нием (при этом происходит поглощение фонона ):

(6.26)

Таким образом, при прохождении света (фотонов) через вещество происходит два вида рассеяния: упругое рассеяние, при котором рассеяние происходит без из­менения частоты фотонов, и рассеяние, при котором кроме фотонов с исходной частотой рассеиваются и вновь рожденные фотоны с частотами , Первый вид рассеяния, как было отмечено в разделе 6.1, является ли­нейным процессом и по имени ученого Рэлея, изучившего это явление, называет­ся рэлеевским рассеянием. Второй вид рассеяния связан с изменением частоты рассеиваемых фотонов в результате комбинации частоты исходного излучения с колебаниями напряженности электрического поля микрочастиц. Поэтому этот вид рассеяния является нелинейным и называется комбинационным рассеянием (КР) или по имени индийского ученого Рамана, — рамановским рассеянием (от­метим, что в 1927 г. советский ученый Мандельштам также одновременно с Рама-ном открыл это явление). По имени английского ученого Стокса, изучавшего этот вид нелинейного рассеяния, излучение с частотой называется стоксовым, а — антистоксовым. Интенсивность стоксова излучения равна

Примерно относительно интенсивности исходного излучения, интен-

сивность антистоксовой компоненты. .В большинстве случаев антистоксовым излучением можно пренебречь. Отметим, что комбинационное рассеяние существует наряду с рэлеевским. Этими двумя видами рассеяния и обусловлены потери энергии излучения в оптическом волокне. Оба типа рассеяния происходят во все стороны — большая часть уходит из волокна через боковую поверхность, остальная часть распространяется в волокне: половина в прямом на­правлении вдоль оси волокна, вторая половина — в обратном направлении. На измерении этой части обратного рассеяния основана работа оптических рефлек­тометров.

Взаимодействие фотонов с микрочастицами (и фононами) представляет собой вероятностный процесс. Обусловлено это известным принципом неопределенности Гейзенберга:  (6.27) Согласно этому принципу, в каждый точно фиксированный момент времени / энергия фотона может принимать значения в некотором интервале Д£, или же точное значение энергии Е может быть определено в течение некоторого интерва­ла времени ДЛ Из этих рассуждений следует, что как исходное, так и рассеянное излучение имеет некоторый разброс частот.  и  Как уже отмечалось, частота КР стоксовой компоненты сдвинута по отношению к начальному (исходному) излучению в область более низких частот на величину Для кварца этот сдвиг равен. .Таким образом, процесс комбинационного рассея­ния является широкополосным.

Увеличивая интенсивность начального излучения , мы увеличиваем тем самым количество фотонов. В результате возрастает количество микрочастиц, перешедших на более высокий энергетический уровень, соответственно увеличивается число фононов. При этом изменяется поляризация частиц и показатель преломления вещества.