拉曼散射是什么

透明光学介质对通过介质传播的光的光学强度的非线性响应非常快,但不是瞬时的。特别是,非瞬时响应是由晶格(或玻璃)的振动引起的。当这些振动与光学声子相关时,这种效应称为拉曼散射,而声学声子与布里渊散射相关。例如,当具有不同波长(通常具有相同偏振方向)的两个激光束通过拉曼活性介质一起传播时,较长波长的光束(称为斯托克斯波))可以以较短的波长光束为代价进行光放大。另外,晶格振动被激发,导致温度升高。较长波长光束的拉曼增益可以在拉曼放大器和拉曼激光器中利用。如果斯托克斯频移对应于几太赫兹的频率差,则该增益可能是可观的。

拉曼散射不仅可以在固体材料中发生,而且可以在液体或气体中发生。例如,分子玻璃具有振动/旋转激发,并且观察到的斯托克斯位移与那些相关。

在拉曼散射过程中,一个泵浦光子被转换为一个较低能量的信号光子,并且光子能量的差被声子带走(晶格振动的量子)。原则上,已经存在的声子​​也可能与泵浦光子相互作用,以产生一个较高能量的光子,该光子属于较短波长的反斯托克斯波。但是,该过程通常较弱,特别是在低温下。但是请注意,如果该过程是相位匹配的,则四波混频也会产生强烈的反斯托克斯光。

当所产生的斯托克斯波的强度变得足够高时,该波可能再次充当泵用于进一步的拉曼过程。特别是在某些拉曼激光器中,可以观察到多个斯托克斯阶数(级联拉曼激光器)。

拉曼散射也称为非弹性散射,因为所涉及的光子能量损失在某种程度上让人联想到机械物体碰撞中的动能损失。

除了可以用经典物理学描述的上述受激拉曼散射效应外,还存在由量子效应引起的自发拉曼散射。

拉曼散射也可能发生在例如超短光脉冲的宽光谱内,从而有效地将脉冲的光谱包络移向更长的波长(拉曼自频移,也称为孤子自频移)。

一些典型的拉曼活性介质是

  • 某些分子气体,例如氢气(H 2),甲烷(CH 4)和二氧化碳(CO 2),用于拉曼移位器的高压电池中
  • 固态介质,例如玻璃纤维或某些晶体,例如氮化钡= Ba(NO 32,各种钨酸盐,例如KGd(WO 42 = KGW和KY(WO 42 = KYW,以及合成金刚石

拉曼效应与克尔效应同时发生,后者是由于电子的(几乎)瞬时响应而产生的。

光纤中脉冲频谱的演变
图1: 光纤放大器中脉冲频谱的演变。在右端附近,受激拉曼散射将很大一部分功率转移到更长的波长分量中。作为案例研究的一部分,使用软件RP Fiber Power进行了仿真。
光纤上的光功率
图2: 抛物线折射率多模光纤中的光功率演变,通过RP Fiber Power软件的数字光束传播功能进行了仿真,作为案例研究的一部分。信号波被强烈放大,而泵浦波被严重耗尽。转换过程涉及多种模式。

在诸如强脉冲的光纤放大器之类的光纤设备中,拉曼散射可能是有害的:它会将大部分脉冲能量转移到不会发生激光放大的波长范围内。这种影响可能会限制此类设备可实现的峰值功率。即使在连续波大功率光纤激光器和放大器中,拉曼散射也可能成为问题。但是,对于此类问题有多种解决方案,包括chi脉冲放大和使用特殊的光纤设计),这些设计通过衰减拉曼位移的波长分量来抑制拉曼散射。

在诸如某些非线性晶体材料之类的块状介质中,如果泵浦强度相当高并且光束宽度足够大,那么即使通过非共线相位匹配,也会发生不希望的受激拉曼散射。例如,在以强泵浦脉冲运行的光学参数发生器中,可能会发生这种情况。

拉曼散射也用于拉曼光谱。特别是,它允许人们研究固体材料的振动模式和分子的振动/旋转状态。

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