拉曼散射是什么

透明光學(xué)介質(zhì)對(duì)通過(guò)介質(zhì)傳播的光的光學(xué)強(qiáng)度的非線性響應(yīng)非常快，但不是瞬時(shí)的。特別是，非瞬時(shí)響應(yīng)是由晶格（或玻璃）的振動(dòng)引起的。當(dāng)這些振動(dòng)與光學(xué)聲子相關(guān)時(shí)，這種效應(yīng)稱(chēng)為拉曼散射，而聲學(xué)聲子與布里淵散射相關(guān)。例如，當(dāng)具有不同波長(zhǎng)（通常具有相同偏振方向）的兩個(gè)激光束通過(guò)拉曼活性介質(zhì)一起傳播時(shí)，較長(zhǎng)波長(zhǎng)的光束（稱(chēng)為斯托克斯波））可以以較短的波長(zhǎng)光束為代價(jià)進(jìn)行光放大。另外，晶格振動(dòng)被激發(fā)，導(dǎo)致溫度升高。較長(zhǎng)波長(zhǎng)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(duì)應(yīng)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(fā)生，而且可以在液體或氣體中發(fā)生。例如，分子玻璃具有振動(dòng)/旋轉(zhuǎn)激發(fā)，并且觀察到的斯托克斯位移與那些相關(guān)。

在拉曼散射過(guò)程中，一個(gè)泵浦光子被轉(zhuǎn)換為一個(gè)較低能量的信號(hào)光子，并且光子能量的差被聲子帶走（晶格振動(dòng)的量子）。原則上，已經(jīng)存在的聲子??也可能與泵浦光子相互作用，以產(chǎn)生一個(gè)較高能量的光子，該光子屬于較短波長(zhǎng)的反斯托克斯波。但是，該過(guò)程通常較弱，特別是在低溫下。但是請(qǐng)注意，如果該過(guò)程是相位匹配的，則四波混頻也會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的反斯托克斯光。

當(dāng)所產(chǎn)生的斯托克斯波的強(qiáng)度變得足夠高時(shí)，該波可能再次充當(dāng)泵用于進(jìn)一步的拉曼過(guò)程。特別是在某些拉曼激光器中，可以觀察到多個(gè)斯托克斯階數(shù)（級(jí)聯(lián)拉曼激光器）。

拉曼散射也稱(chēng)為非彈性散射，因?yàn)樗婕暗墓庾幽芰繐p失在某種程度上讓人聯(lián)想到機(jī)械物體碰撞中的動(dòng)能損失。

除了可以用經(jīng)典物理學(xué)描述的上述受激拉曼散射效應(yīng)外，還存在由量子效應(yīng)引起的自發(fā)拉曼散射。

拉曼散射也可能發(fā)生在例如超短光脈沖的寬光譜內(nèi)，從而有效地將脈沖的光譜包絡(luò)移向更長(zhǎng)的波長(zhǎng)（拉曼自頻移，也稱(chēng)為孤子自頻移）。

一些典型的拉曼活性介質(zhì)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(tài)介質(zhì)，例如玻璃纖維或某些晶體，例如氮化鋇= Ba（NO?₃）₂，各種鎢酸鹽，例如KGd（WO?₄）₂?= KGW和KY（WO?₄）₂?= KYW，以及合成金剛石

拉曼效應(yīng)與克爾效應(yīng)同時(shí)發(fā)生，后者是由于電子的（幾乎）瞬時(shí)響應(yīng)而產(chǎn)生的。

在諸如強(qiáng)脈沖的光纖放大器之類(lèi)的光纖設(shè)備中，拉曼散射可能是有害的：它會(huì)將大部分脈沖能量轉(zhuǎn)移到不會(huì)發(fā)生激光放大的波長(zhǎng)范圍內(nèi)。這種影響可能會(huì)限制此類(lèi)設(shè)備可實(shí)現(xiàn)的峰值功率。即使在連續(xù)波大功率光纖激光器和放大器中，拉曼散射也可能成為問(wèn)題。但是，對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題有多種解決方案，包括chi脈沖放大和使用特殊的光纖設(shè)計(jì)），這些設(shè)計(jì)通過(guò)衰減拉曼位移的波長(zhǎng)分量來(lái)抑制拉曼散射。

在諸如某些非線性晶體材料之類(lèi)的塊狀介質(zhì)中，如果泵浦強(qiáng)度相當(dāng)高并且光束寬度足夠大，那么即使通過(guò)非共線相位匹配，也會(huì)發(fā)生不希望的受激拉曼散射。例如，在以強(qiáng)泵浦脈沖運(yùn)行的光學(xué)參數(shù)發(fā)生器中，可能會(huì)發(fā)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(dòng)模式和分子的振動(dòng)/旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。