پراکندگی بریلوئن

پراکندگی بِریلوَن، برگرفته از نام لئون بریلوَن، زمانی رخ می‌دهد که نور در یک محیط (مانند هوا، آب یا کریستال) با تغییرات چگالی اپتیکی وابسته به زمان واکنش می‌دهد و انرژی (فرکانس) و مسیر آن را تغییر می‌دهد. تغییرات چگالی ممکن است ناشی از مدهای آکوستیکی مانند فونون‌ها، مدهای مغناطیسی مانند مگنون‌ها، یا گرادیان‌های دمایی باشد. همانند فیزیک کلاسیک زمانی‌که محیطی تغییرات ضریب شکستی اش فشرده دارد، و کسری از موج نور عبوری با این تغییرات ضریب شکست واکنش می‌دهد، محیط مثل یک توری پراش سه بعدی عمل کرده و نور منحرف می‌شود. بنابراین موج صوتی نیز هنگام انتشار نور را دچار یک شیفت دوپلری می‌کند و در نتیجه فرکانس آن را تغییر می‌دهد.

سازوکار

از دیدگاه کوانتومی، پراکندگی بریلوَن واکنشی است بین یک موج الکترومغناطیسی و موج چگالی(پراکندگی فوتون-فونون)، موج اسپینی مغناطیسی(پراکندگی فوتون-مگنون)، یا یک شبه ذره فرکانس پایین دیگر. پراکندگی غیرکشسان است:فوتون ممکن است انرژی از دست دهد ویک شبه ذره بسازد(فرایند استوکس) یا اینکه یک شبه ذره نابود شود و فوتون انرژی کسب کند(فرایند ضداستوکس). این جابجایی در فرکانس فوتون، شیفت بریلوَن، معادل است با اندرکنش فونون یا مگنون و بنابراین پراکندگی بریلوَن می‌تواند برای اندازه‌گیری انرژی‌های فونون یا مگنون به کار رود. شیفت بریلوَن معمولاً با استفاده از یک اسپکترومتر بریلوَن بر پایه تداخل سنج فابری پرو اندازه‌گیری می‌شود.

   
 *در تصویر روبرو تداعی یک موج چگالی را مشاهده می‌کنید.

رابطه آن با پراکندگی ریلی

پراکندگی رِیلی را نیز می‌توان ناشی از افت و خیز در چگالی، ترکیب و جهت‌گیری ملکول‌ها، و همچنین ضریب شکست در حجم کمی از ماده(خصوصاً در گازها یا مایعات) دانست. تفاوت در اینست که پراکندگی ریلی فقط در افت و خیزهای حرارتی رندم و ناهمدوس رخ می‌دهد. درحالیکه پراکندگی بریلوَن در افت و خیزهای متناوب و همبسته(فونون‌ها) دیده می‌شود.

ارتباط آن با پراکندگی رامان

پراکتدگی رامان پدیده دیگری است که شامل فرایندهای پراکندگی غیرکشسان نور با ویژگی‌های ارتعاشی ماده‌است. مرتبه شیفت فرکانسی آشکار شده و همچنین نوع اطلاعات استخراج شده از نمونه، خیلی متفاوت هستند. پراکندگی بریلوَن در پراکندگی فوتون‌ها از فونون‌های فرکانس پایین غالب است، درحالیکه برای پراکندگی رامان فوتون‌ها توسط اندرکنش با گذارهای ارتعاشی و چرخشی در تک ملکول‌ها پراکنده می‌شوند.
بنابراین این دو تکنیک اطلاعات کاملاً متفاوتی را از نمونه بدست می‌دهند:اسپکتروسکوپی رامان برای تعیین ترکیب شیمیایی و ساختار ملکولی بکار می‌رود، درحالیکه پراکندگی بریلوَن مشخصات را در یک مقیاس بزرگتر می‌سنجد-مانند رفتار کشسان. از نظر تجربی نیز شیفت‌های فرکانسی در پراکندگی بریلوَن با تداخل سنج آشکارسازی می‌شوند، درحالیکه چیدمان رامان می‌تواند برپایه تداخل سنج یا اسپکترومتر پراکننده(توری) باشد.

پراکندگی بریلوَن القایی

برای پرتوهای شدت بالا(مثل نور لیزر) که در محیطی مانند فیبر نوری انتشار پیدا می‌کنند، تغییرات میدان خود پرتو ممکن است به واسطه الکترواستریکسیون(تغییرشکل بر اثر میدان الکتریکی، معکوس اثر پیزوالکتریک) ارتعاشات آکوستیکی در ماده ایجاد کند. پرتو ممکن است در اثر این ارتعاشات دچار پراکندگی بریلوَن شود که معمولاً در خلاف جهت پرتو ورودی بوده و با نام پراکندگی القایی بریلوَن شناخته می‌شود. برای مایعات و گازها شیفت‌های فرکانسی نوعاً از مرتبه ۱-۱۰ گیگا هرتز (شیف طول موجی حدود ۱-۱۰پیکومتر برای نور مرئی) هستند. پراکندگی القایی بریلوَن اثری است که می‌تواند در جایگاه همیوغ فاز اپتیکی قرار گیرد(یعنی همانند آینه همیوغ فازی نور را در جهت خودش بازتاب می‌کند).

پیشینه

پراکندگی غیرکشسان نور توسط فونون‌های آکوستیکی برای اولین بار توسط لئون بریلوَن در سال ۱۹۲۲ پیش‌بینی شد. باور بر اینست که احتمال چنین پراکندگی قبلاً در سال ۱۹۱۸ توسط لئونید مندلستام تشخیص داده شده بود اما وی آن را در سال ۱۹۲۶ چاپ کرد. برای اعتبار بخشیدن به مندلستام، این اثر پراکندگی بریلوَن-مندلستام نیز نامیده می‌شود.
فرایند پراکندگی القایی بریلوَن اولین بار در سال ۱۹۶۴ توسط chiao و همکارانش مشاهده شد. جنبه همیوغ فازی اپتیکی این اثر در سال ۱۹۷۲ توسط Zel’s dovich و همکارانش کشف شد.

حسگر فیبر نوری

پراکندگی بریلوَن همپنین می‌تواند برای تشخیص تنش و دما در فیبرهای نوری بکار رود.