拉曼散射是什么

透明光學介質對通過介質傳播的光的光學強度的非線性響應非???,但不是瞬時的。特別是,非瞬時響應是由晶格(或玻璃)的振動引起的。當這些振動與光學聲子相關時,這種效應稱為拉曼散射,而聲學聲子與布里淵散射相關。例如,當具有不同波長(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行光放大。另外,晶格振動被激發,導致溫度升高。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生,而且可以在液體或氣體中發生。例如,分子玻璃具有振動/旋轉激發,并且觀察到的斯托克斯位移與那些相關。

在拉曼散射過程中,一個泵浦光子被轉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,已經存在的聲子??也可能與泵浦光子相互作用,以產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,則四波混頻也會產生強烈的反斯托克斯光。

當所產生的斯托克斯波的強度變得足夠高時,該波可能再次充當泵用于進一步的拉曼過程。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(級聯拉曼激光器)。

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想到機械物體碰撞中的動能損失。

除了可以用經典物理學描述的上述受激拉曼散射效應外,還存在由量子效應引起的自發拉曼散射。

拉曼散射也可能發生在例如超短光脈沖的寬光譜內,從而有效地將脈沖的光譜包絡移向更長的波長(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
  • 固態介質,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

拉曼效應與克爾效應同時發生,后者是由于電子的(幾乎)瞬時響應而產生的。

光纖中脈沖頻譜的演變
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進行了仿真。
光纖上的光功率
圖2:?拋物線折射率多模光纖中的光功率演變,通過RP Fiber Power軟件的數字光束傳播功能進行了仿真,作為案例研究的一部分。信號波被強烈放大,而泵浦波被嚴重耗盡。轉換過程涉及多種模式。

在諸如強脈沖的光纖放大器之類的光纖設備中,拉曼散射可能是有害的:它會將大部分脈沖能量轉移到不會發生激光放大的波長范圍內。這種影響可能會限制此類設備可實現的峰值功率。即使在連續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計),這些設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中,如果泵浦強度相當高并且光束寬度足夠大,那么即使通過非共線相位匹配,也會發生不希望的受激拉曼散射。例如,在以強泵浦脈沖運行的光學參數發生器中,可能會發生這種情況。

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/旋轉狀態。

關鍵詞:

光纖聯系

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