Реферат: Вынужденное явление Рамана

Рис.1. Векторная схема вынужденного рамановского рассеяния как четырехфотонного процесса: .

Оба испускания, как стоксово, так и антистоксово, являются направленными.

лению. Иначе обстоит дело с антистоксовым рассеянием, которое описано выражением (13). При выполнении условия  постоянный приход энергии к антисток­совой волне  будет гарантирован только в том случае, если

                                                            (14)

также если

                                                          (15)

Интенсивность антистоксовой линии достигает максиму­ма для ; направление ее эмиссии определяет­ся равенством (14).

Удивительным свойством антистоксова излучения, вытекающим из выражения (14), является тот факт, что эмиссия происходит только в определенном направ­лении, а именно под углом  к направлению , т. е. к направлению падающего света. Это показано на рис.1. Волновой вектор  имеет величину, равную

                                         (16)

где  и —скорость света в данной среде и ее коэф­фициент преломления. Точно так же

 и                                       (17)

где  означает, как и ранее, частоту колебаний молеку­лы. Введем еще две разности коэффициентов прелом­ления, характеризующих среды, а именно:

                                              (18)

Из векторной диаграммы, представленной на рис.1, можно определить  согласно теореме Карно:

Используя выражения (16)—(18), а также приняв, что

получим приближенное соотношение для малых углов :

                                 (19)

Согласно этому выражению антистоксов свет рассеива­ется вдоль конуса, ось которого совпадает с направле­нием падающего света, а —угол между этим направ­лением и направлением образующей конуса. На экране,

			Пленка
	Батарея конденсаторов

Рис. 2. Вынужденное рамановское рассеяние в нитробензоле.

Рассеяние в антистоксову сторону наблюдается в виде концентрических колец, окружающих пучок света лазера. Последующие кольца соответствуют рассея­нию с большей частотой (более короткой длиной волны). Стоксово рассеяние имеет различные направления, но наибольшая интенсивность света приходит­ся на направление падающего пучка.

установленном перпендикулярно к направлению падаю­щего луча, виден яркий цветной круг. Опыт показывает, что если кювету с жидкостью, например нитробензолом, поместить между сферическими зеркалами резонатора Фабри—Перо рубинового лазера, то стоксово рассеяние будет иметь место в инфракрасной области. Для рас­пространения его не характерно какое-либо определен­ное направление; в основном это направление падающе­го луча, тогда как антистоксово рассеяние образует ряд световых конусов с цветовой гаммой, от красного до го­лубого. Ближайший из них соответствует частоте , последующие — частотам ,  и т. д. (рис. 2).

Механизм рамановского рассеяния в антистоксову сторону.

Уравнение (14) и иллюстрирующий его рис. 1 показывают, что процесс рамановекого рассея­ния в резонаторе лазера является четырехфотонным процессом, в котором два фотона лазерного света исче­зают, а вместо них появляются два новых фотона: стоксов и антистоксов. В четырехфотонном процессе как

Рис. 3 Векторная схема вынужденного рамановского рассеяния как двухфотонных процессов с участием фононов разных направле­ний и величин.

Стоксово рассеяние имеет различные направления, тогда как антистоксово — лишь одно определенное направление.

, так и имеют точно определенные направления. В то время как действительно точно определенное на­правление имеют антистоксовы фотоны , стоксовы фотоны  рассеиваются в различных направлениях, главным 0'бразом в направлении падающего луча. По­этому Цайгер с сотрудниками предложил двухсту­пенчатый механизм процесса рамановского рассеяния. При этом каждая ступень является двухфотонным про­цессом, в котором принимают участие два фотона и фотон . Последнему соответствует волновой вектор волны, возникающей из когерентных колебаний молекул, возбужденных падающей оптической волной. Первая ступень заключается в образовании стоксова фотона и фонона  из первого лазерного фотона:

                                                 (20)

Вторая ступень заключается в образовании антистоксова фотона из другого лазерного фотона и соответствующего фонона:

                                                  (21)

На первой ступени образуются стоксовы фотоны (с заранее определенной энергией ), различно на­правленные, и соответствующие им фононы (рис. 3). На второй ступени может произойти поглощение только такого фонона, который даст антистоксов фотон , имеющий соответствующее определенное направле­ние, если только этот фотон отвечает уравнениям (20) и (21), а следо­вательно, и условию (14). Другие фононы не приводят к испусканию антистоксоъа фотона. Поэтому антистоксово рассеяние имеет значительный максимум в определенном направлении. На рис. 4 представлены результаты исследований упомянутых авторов. Они исследовали интенсивность трех стоксовых линий S1, S2 и S3, а также первой антистоксовой линии AS1 в зависимости от угла рассеяния. Показано, что:

1. Первая стоксова линия S1 обнаруживает наибольшую интенсивность в направлении лазерного луча. По мере возрастания угла интенсивность уменьшается и не обнаруживает другого максимума ни в каком определенном направлении. (Появление максимумов у последующих стоксовых линий S2 и S3, а также очень слабых максимумов на линии S1 имеет особую причину, которую мы здесь не будем обсуждать.)

2. Соответствующая первой стоксовой линии S1 первая антистоксова линия AS1 обнаруживает сильный максимум интенсивности под углом рассеяния около 3,0°.Как видно, антистоксово рассеяние не происходит в исправлении падающего света, а после максимума быстро спадает до нуля.

Эти два факта согласуются с двухступенчатым про­цессом вынужденного рамановского перехода.

Рис. 4. Угловое распределение интенсивности первых трех сток­совых линий и первой антистоксо­вой линии в нитробензоле.

Антистоксова линия 635 мм к (кривая AS1), стоксовы линии: 765 ммк (кривая S2), 853 ммк (кривая S2), 964 ммк (кривая S3).

[1] Комбинационное рассеяние, или эффект Рамана — Мандельш­тама, называемое автором рамановским рассеянием или рассеянием Рамана, наблюдалось индийским ученым Раманом на жидкостях в 1926 году и советскими физиками Мандельштамом и Ландсбергом на кристаллах кварца в 1927 г.