پراکندگی رامان
-
پراکندگی رامان

تعریف: یک فرایند پراکندگی غیر خطی شامل فونون نوری
پاسخ غیرخطی محیط های نوری شفاف به شدت نوری نور در حال انتشار در محیط بسیار سریع است، اما آنی نیست.  به طور خاص، یک پاسخ غیر آنی با ارتعاشات از شبکه کریستال ( یا شیشه) ایجاد شده است. هنگامی که این ارتعاشات به فونون نوری مربوط است، این اثر پراکندگی رامان نامیده می شود، در حالی که فونون های آکوستیکی به پراکندگی بریلوئن مربوط است. هنگامی که به عنوان مثال، دو پرتوهای لیزر با طول موج های مختلف ( و معمولا با یک جهت قطبش) با هم در یک محیط رامان فعال انتشار می یابند، پرتو با طول موج بلندتر (به نام موج استوکس) می تواند تقویت نوری را  با صرف پرتو با طول موج کوتاه تر تجربه کنند. علاوه بر این، ارتعاشات شبکه برانگیخته شده منجر به افزایش درجه حرارت می شود. بهره رامان برای پرتو با طول موج بلندتر می تواند در تقویت کننده های رامان و لیزرهای رامان مورد استفاده قرار گیرد. این بهره می تواند قابل توجه باشد اگر انتقال استوکس برابر با تفاوت فرکانسی چند تراهرتز باشد.
در فرایند پراکندگی رامان،پرتو پمپ به یک فوتون با انرژی کمتر تبدیل می شود و تفاوت انرژی فوتون اولیه و ثانویه، با فونون (کوانتای ارتعاشات شبکه) حمل می شود. در اصل، این امکان وجود دارد که یک فونون با فوتون پمپ برای تولید یک فوتون با انرژی بالاتر بر هم کنش کند، نتیجه به صورت موجی با طول موج کوتاه تر است که پاداستوکس نامیده می شود. این فرایند، به خصوص در دماهای پایین، ضعیف است. توجه داشته باشید، با این حال، قابل ذکر است که از ترکیب چهار موج با فاز یکسان، نور قوی پاد استوکس می تواند نتیجه شود .
زمانی که شدت موج استوکس اندازه کافی بالا باشد، موج استوکس ممکن است دوباره به عنوان پمپ برای فرایندهای بیشتر رامان عمل می کنند. به ویژه در برخی از لیزرهای رامان، ممکن است  مراتب مختلف استوکس مشاهده شود.( لیزر آبشاری رامان).
علاوه بر اثر پراکندگی رامان القایی، که می تواند با فیزیک کلاسیک توصیف شود، پراکندگی رامان خود به خود نیز وجود دارد که ناشی از اثرات کوانتومی است.
پراکندگی رامان همچنین می تواند در گستره ی طیفی وسیعی رخ دهد، به عنوان مثال، یک پالس نوری فوق کوتاه، به طور موثر ناحیه تحت پوشش پالس را به سمت طول موج های بلند تر شیفت می دهد(Raman self-frequency shift, also called soliton self-frequency shift)
برخی از محیط های رامان فعال معمولی عبارتند از :

  • گازهای خاص، به عنوان مثال، هیدروژن (H2)، متان (CH4) و دی اکسید کربن (CO2)، مورد استفاده در سلول های با فشار بالا برای شیفت دهنده های رامان
  • محیط های حالت جامد مانند فیبرهای شیشه ای و یا کریستال های خاص، به عنوان مثال باریم نیترید
    BA (NO3) 2، تنگستن های مختلف از قبیل KGD (WO4)2 =  KGW و KY (WO4)2 = KYW و الماس مصنوعی
اثر رامان با اثر کر (Kerr Effect) که نتیجه ای از پاسخ آنی الکترون هاست رخ می دهد.
شکل 1- تحول طیفی پالس در تقویت کنندة فیبری. نزدیک به انتهای سمت راست بخش اعظمی از توان از طریق پراکندگی رامان القایی به سمت اجزایی با طول موج بالاتر جابجا شده است.
در دستگاه های فیبر نوری مانند تقویت کننده های فیبری پالس های قوی، پراکندگی رامان می تواند مشکل ساز باشد: می تواند مقدار زیادی از انرژی پالس را به محدوده طول موجی لیزر که در آن تقویت رخ نمی دهد منتقل کند. این اثر می تواند بیشینه توان قابل دستیابی در هر دستگاه را محدود کند. حتی در تقویت کننده ها و لیزرهای پیوسته توان بالای فیبری، پراکندگی رامان به عنوان یک مشکل مطرح می شود.. با این حال، راه حل های  مختلفی برای حل برخی مسائل پیش آمده وجود دارد، از جمله تقویت چیرپ پالس و استفاده از طراحی های خاص فیبر که پراکندگی رامان را با تضعیف مولفه های منتقل شده طول موج رامان، متوقف می کند.
در محیط های توده، مانند برخی از مواد کریستال غیر خطی، پراکندگی ناخواسته القایی رامان می تواند حتی از طریق تطبیق فاز غیر خطی رخ دهد، اگر شدت پمپ نسبتا بالا و عرض پرتو به اندازه کافی بزرگ باشد.  به عنوان مثال،این اثر در ژنراتور پارامتریک نوری که با پمپ با شدت بالا کار می کند، می تواند رخ دهد.
پراکندگی رامان نیز در طیف سنجی استفاده می شود. به طور خاص، پراکندگی رامان اجازه بررسی مدهای ارتعاشی مواد را می دهد.
 

1395/6/24