Рассеяние света, виды, физические свойства

Что такое рассеяние света?

"Рассеивание света — это процесс, при котором световые лучи изменяют направление своего распространения при взаимодействии с частицами или неоднородностями в среде..."

---

Полезные статьи:

Зеркальное отражение света, виды

Что таакое поглощение света?

Все статьи

Введение

В различных ситуациях свет может рассеиваться, то есть направляться в других направлениях. Термин рассеяние в основном используется для диффузного рассеяния, когда свет направляется в широком диапазоне направлений. Классическим примером является рассеяние света на шероховатой поверхности, имеющей микроскопически неправильную структуру.

Однако существуют также случаи с вынужденным рассеянием, когда направление рассеянного света определяется некоторым падающим светом. 

Виды рассеяния света

В этой статье описываются различные физические механизмы, которые возникают в контексте рассеяния света в различных средах и обстоятельствах.

Рэлеевское рассеяние

Распространенное оптическое явление рассеяния, названное в честь британского физика лорда Рэлея. 

Это линейное рассеяние света в центрах рассеяния, которые намного меньше, чем длина волны света. При таких обстоятельствах рассеяние происходит с интенсивностями, которые пропорциональны входящей оптической интенсивности, четвертой степени обратной длины волны и 1 + cos² θ, где θ - угол рассеяния. Прямое и обратное рассеяние (θ = 0 и θ = , соответственно) одинаково сильно.

Центрами рассеяния для рэлеевского рассеяния могут быть отдельные атомы или молекулы. Однако можно также описать рэлеевское рассеяние в атмосфере, например, как результат микроскопических колебаний плотности, которые вызваны случайным распределением молекул в воздухе.

Обратите внимание, что для рассеяния на множестве частиц или рассеивающих центрах нельзя просто сложить мощности, рассеянные отдельными центрами, поскольку возникают эффекты интерференции: амплитуды должны быть добавлены. В результате в идеально чистом и обычном кристалле не было бы рэлеевского рассеяния света. Кроме того, рэлеевское рассеяние в воздухе возможно только из-за вышеупомянутых случайных флуктуаций плотности.

Если предполагается, что рассеянный свет теряется, рассеяние эффективно способствует потерям при распространении. Например, в случае одномодового волокна любой рассеянный свет закончится в режимах оболочки и будет эффективно потерян.

Потери при рассеянии в оптических волокнах

В аморфных оптических материалах, таких как кварцевое стекло, всегда наблюдаются случайные колебания плотности из-за нерегулярной микроскопической структуры. Они даже значительно сильнее, чем обычно были бы при комнатной температуре, потому что во время изготовления волокна колебания плотности, которые происходили для волокна вблизи температуры размягчения стекла, “замораживаются”. Лишь в ограниченной степени колебания могут быть уменьшены с помощью процесса отжига.

Рэлеевское рассеяние устанавливает нижний предел потерь при распространении в оптических волокнах. Конечно, дополнительные потери могут быть результатом, например, нерегулярной границы раздела сердцевина / оболочка (особенно при высоком контрасте с показателем преломления), рассеяния и поглощения примесями, а также макроскопического и микроскопического изгиба. 

Волокна из кремнезема, оптимизированные для оптоволоконной связи на большие расстояния, имеют очень низкие потери при распространении, приближающиеся к пределу, определяемому рэлеевским рассеянием. Для длин волн, существенно меньших часто используемой области 1,5 мкм, одно только рэлеевское рассеяние было бы выше, чем фактические потери этих волокон при длине волны 1,5 мкм. При существенно больших длинах волн Рэлеевское рассеяние было бы слабее, но инфракрасное поглощение кремнезема усиливается.

В принципе, можно было бы использовать волокна среднего инфракрасного диапазона, изготовленные из других стекол (например, из фторидных волокон), которые могли бы иметь еще меньшие потери, но на практике наилучших показателей достигли волокна из кремнезема.

Большая часть рэлеевского рассеянного света в волокне выходит из волокна сбоку. Только небольшая часть рассеянного света рассеивается обратно так, что он снова направляется в сердцевину волокна. Следовательно, обратные потери волоконных устройств, как правило, очень высоки; общие обратные потери волоконной установки чаще всего вызваны отражениями на интерфейсах, таких как концы волокон, механические соединения или оптоволоконные соединители.

Из-за высоких оптических интенсивностей, которые часто возникают в оптических волокнах, также могут возникать процессы нелинейного рассеяния, такие как комбинационное рассеяние и бриллюэновское рассеяние. Рэлеевское рассеяние, будучи линейным процессом, одинаково важно при низкой интенсивности света.

Рассеяние Ми

Рассеяние Ми происходит, когда рассеивающие частицы имеют размер, аналогичный длине волны света. Здесь наблюдаются значительные вариации оптической фазы в зависимости от рассеивающих вкладов различных местоположений частиц. В отличие от рэлеевского рассеяния интенсивность рассеяния не так сильно зависит от оптической длины волны. 

Это согласуется с белым цветом молока, где рассеяние Ми происходит на капельках жира в воде, которые не такие маленькие. Другой вывод заключается в том, что прямое рассеяние сильнее обратного рассеяния, потому что относительные разности фаз вкладов от разных мест рассеяния на частицах становятся меньше.

Рассеяние Ми особенно актуально для метеорологической оптики, но также и в биомедицинской области и т.д.

Комбинационное рассеяние и рассеяние Бриллюэна

Рассеяние комбинационного рассеяния и Бриллюэна являются примерами процессов неупругого рассеяния, при которых изменяется внутренняя энергия рассеивающих частиц. Например, при комбинационном рассеянии на молекулах газа изменяются состояния вибрации и вращения молекул. Обычно молекулы после процесса рассеяния обладают более высокой энергией, что подразумевает соответственно меньшую энергию фотонов рассеянного света (стоксовы компоненты → Стоксов сдвиг). 

Если молекулы изначально возбуждены, можно также получить антистоксовы компоненты с повышенной оптической частотой. Аналогично, комбинационное рассеяние может происходить в твердых телах с участием так называемых оптических фононов, то есть фононов с относительно высокими частотами (в терагерцовой области). Рассеяние Бриллюэна в твердых телах включает акустические фононы с гораздо более низкими частотами в области гигагерц.

Как комбинационное, так и бриллюэновское рассеяние может быть стимулировано дополнительным падающим светом на соответствующих модифицированных оптических частотах и с соответствующими направлениями распространения. Например, стимулированное рассеяние Бриллюэна в оптических волокнах обычно возможно только в обратном направлении. 

В этом процессе инжектируемая низкочастотная обратная волна усиливается; то же самое относится и к задействованной акустической волне. Даже без подачи встречной световой волны при достаточно высоком усилении по Бриллюэну можно получить сильную обратную волну, которая начинается со спонтанного рассеяния по Бриллюэну, а затем испытывает сильное нелинейное усиление.

Численное моделирование рассеяния Бриллюэна

Возможно численное моделирование распространения света (например, в оптических волокнах) под влиянием рассеяния Бриллюэна. Однако технически это довольно сложно, поскольку включает встречное распространение световых волн и зависит от их детального частотного спектра. Кроме того, время вычисления может быть довольно большим.

Однако в большинстве практических случаев нет необходимости проводить полномасштабное численное моделирование для получения ответов на соответствующие вопросы. Основной вопрос обычно заключается в том, окажет ли рассеяние Бриллюэна существенное влияние на распространение жизни, т. е. вызовет существенное нелинейное обратное рассеяние. Но не в том, что именно произойдет в том режиме, когда оно станет существенным. 

На этот основной вопрос обычно можно ответить довольно простым способом. Моделируется распространение без учета рассеяния Бриллюэна, а затем вычисляется результирующее усиление по Бриллюэну. Если это значение превышает примерно 90 дБ, следует ожидать значительного рассеяния Бриллюэна. Упомянутое пороговое значение в некоторой степени зависит от обстоятельств, например, рассматривается ли непрерывный свет или световые импульсы. 

Этот простой подход может быть не очень точным, но учтите, что для высокой точности полного численного моделирования потребовалось бы подробное знание задействованных оптических входов, что часто недоступно. Например, такие детали обычно неизвестны для распространенных типов затравочных лазеров, и их было бы довольно сложно измерить. Могут возникнуть дополнительные неопределенности, например, в отношении деталей оптических волокон, таких как их детальное рассеяние Бриллюэна и то, как это может изменяться по длине волокна.

Комбинационное рассеяние

Нелинейный отклик прозрачной оптической среды на оптическую интенсивность света, распространяющегося через среду очень быстрый, но не мгновенный. В частности, запаздывающий нелинейный отклик вызван колебаниями решетки кристалла (или стекла). 

Когда эти колебания связаны с оптическими фононами, эффект называется комбинационным рассеянием, тогда как акустические фононы связаны с рассеянием Бриллюэна. Когда, например, два лазерных луча с разными длинами волн (и обычно с одинаковым направлением поляризации) распространяются вместе через рамановскую активную среду, более длинноволновый луч (называемый волной Стокса) может испытывать оптическое усиление за счет луча с более короткой длиной волны. 

Кроме того, возбуждаются колебания решетки, приводящие к повышению температуры. Комбинационное усиление для пучка с большей длиной волны может быть использовано в рамановских усилителях и рамановских лазерах. Это усиление может быть существенным, если стоксов сдвиг соответствует разности частот в несколько терагерц.

Комбинационное рассеяние может происходить не только в твердых материалах, но также в жидкостях или газах. Например, молекулярные стекла имеют колебательные / вращательные возбуждения, и наблюдаемые стоксовы сдвиги связаны с ними.

Эффект комбинационного рассеяния возникает вместе с эффектом Керра, который возникает в результате (почти) мгновенного отклика электронов.

Взаимодействие фотонов и фононов

В процессе комбинационного рассеяния один фотон накачки преобразуется в один сигнальный фотон с более низкой энергией, и разница энергий фотонов уносится фононом (квантом колебаний решетки).

В принципе, также возможно, что уже существующий фонон взаимодействует с фотоном накачки для генерации одного фотона с более высокой энергией, принадлежащего к антистоксовой волне с более короткой длиной волны. Однако этот процесс обычно протекает слабо, особенно при низких температурах. Обратите внимание, однако, что сильное антистоксово излучение также может возникать в результате четырехволнового смешения, если этот процесс согласован по фазе.

Комбинационное рассеяние может быть спонтанным или вынужденным. Спонтанное комбинационное рассеяние возникает, когда есть волна накачки, но нет входной волны сигнала (т. е. нет входных фотонов сигнала). Это можно рассматривать как квантовый эффект – усиление нулевых колебаний поля сигнала.

Комбинационное рассеяние также называют неупругим рассеянием, потому что связанные с этим потери энергии фотонов несколько напоминают потери кинетической энергии при столкновениях механических объектов.

Комбинационное рассеяние-активные среды

Некоторыми типичными рамановско-активными средами являются

• некоторые молекулярные газы, например, водород (H ₂), метан (CH ₄) и диоксид углерода (CO₂), используемые, например, в ячейках высокого давления для комбинационных переключателей
• твердотельные среды, такие как стеклянные волокна или определенные оптические кристаллы, например нитрид бария = Ba (NO₃)₂, различные вольфраматы, такие как KGd (₄)₂ = KGW и KY (WO₄)₂ = KYW, и синтетический алмаз

Каскадное комбинационное рассеяние

Когда интенсивность генерируемой волны Стокса становится достаточно высокой, эта волна может снова действовать как накачка для дальнейшего процесса комбинационного рассеяния. В частности, в некоторых лазерах комбинационного рассеяния можно наблюдать несколько порядков Стокса (каскадные лазеры комбинационного рассеяния).

Комбинационное рассеяние ультракороткими импульсами

Комбинационное рассеяние также может происходить в широком оптическом спектре, например, ультракороткого оптического импульса, эффективно сдвигая огибающую спектра импульса в сторону более длинных волн (рамановский сдвиг собственной частоты, также называемый солитонным сдвигом собственной частоты, когда задействованы солитонные импульсы).

В оптических волоконных устройствах, таких как волоконные усилители для интенсивных импульсов, комбинационное рассеяние может быть вредным: оно может передавать большую часть энергии импульса в диапазон длин волн, где лазерное усиление не происходит. 

Подробнее о нежелательном комбинационном рассеянии

Даже в непрерывной волны мощных волоконных лазеров и усилителей, комбинационного рассеяния могут быть проблемы. Существуют, однако, различные виды решений таких проблем, включая усиление чирпированных импульсов и использование специальных конструкций волокон, которые подавляют комбинационное рассеяние, ослабляя рамановскую составляющую длины волны.

В объемных средах, таких как некоторые нелинейные кристаллические материалы, нежелательное вынужденное комбинационное рассеяние может возникать даже при неколлинеарном согласовании фаз, если интенсивность накачки довольно высока, а ширина луча достаточно велика. Это может происходить, например, в оптических параметрических генераторах, работающих с интенсивными импульсами накачки.

Оптические потери при распространении из-за рассеяния

Рассеяние является основной причиной потерь при распространении в оптических компонентах.

Выше уже упоминалось, что рассеяние ограничивает потери при распространении, которые достижимы в волокнах из оптического стекла.

Рассеяние также является фундаментальной проблемой для использования керамических сред в качестве оптических материалов. Однако существуют некоторые керамические среды, в которых кристаллитов настолько мало, что потери при рассеянии не более существенны. Например, можно изготовить керамический Nd: YAG с высоким оптическим качеством.

Рассеяние света происходит не только внутри оптических материалов из-за неоднородностей материала, но очень часто также на оптических поверхностях. Это происходит из-за высокого контраста показателя преломления между оптическими материалами и воздухом. Обычно потери при рассеянии на оптических поверхностях минимизируются за счет их полировки с очень высоким качеством.

Сильная частотная зависимость рэлеевского рассеяния также объясняет, почему потери при рассеянии обычно представляют собой гораздо более серьезную проблему для ультрафиолетовой оптики, чем для инфракрасной оптики.

Применение рассеяния

Хотя потери при рассеянии являются общей проблемой в оптике, существуют также различные применения рассеяния света. Несколько примеров (все с участием упругого рассеяния):

• Рассеяние света часто является механизмом, который создает контраст изображения, например, в микроскопии.
• Экраны дисплея основаны на рассеянии света.
• Диффузно рассеивающие поверхности часто используются для обеспечения однородного освещения. Например, в лазерных головках лазеров с ламповой накачкой часто используется белая керамика для получения плавных распределений интенсивности накачки.
• Можно сконструировать оптические рассеиватели на основе рассеивающих сред. Они используются для предотвращения нежелательной пространственной когерентности света.