受雷射散射

入射光很強時，光學媒質所產生的定向的具有相干特徵的光散射。光通過媒質會產生各種散射效應。例如由氣體中遠小於輻射波長的獨立粒子散射和非傳播熵的漲落引起的瑞利散射；液體中單個分子的轉動和振動躍遷以及固體中的光頻聲子和其他激發產生的喇曼散射，這種散射的頻移相當大；由連續媒質中聲波場（或聲頻聲子）所產生的布里淵散射等。在入射光強較弱時光散射是自發的、非相干的。然而，當入射雷射束的強度超過一定閾值時，如同自發輻射會轉變為受激輻射一樣，光散射過程也會由自發的轉變為受激的。後一過程的特點是其散射光是一種具有明顯方向性的相干光。

基本介紹

• 中文名：受雷射散射
• 外文名：By laser light scattering
• 含義：光學媒質產生有相干特徵的光散射
• 套用：受激喇曼散射

喇曼散射

最常見和套用最廣的是受激喇曼散射。設媒質中的分立中心有兩個能級，其共振頻率為v0，屬電偶矩禁戒躍遷。在正常情況下，分立中心處在下能級。此時，當頻率為v1的泵浦雷射作用於媒質，會自發地產生頻率為vs=v1-v0的散射光。若同時又有與散射光同頻率的另一束雷射作用於媒質，則該光束會從泵浦光取得能量而獲得增益，且增益大小比例於泵浦光的強度。當泵浦光強度增大到能使增益大於媒質本身引起的損耗時，泵浦光強便超過了閾值。這時並不需要有另一束雷射的入射，自發的散射光會在一定方向迅速增強並轉變為受激的散射光，泵浦光的能量也不斷轉變為受激散射光的能量。對上述過程來說，散射光頻率小於泵浦光頻率，故稱為斯托克斯受激喇曼散射。如果分立中心原來處於上能級，則類似的過程稱為反斯托克斯受激喇曼散射，此時散射光頻率為v1+v0，在過程當中分立能級由上能級躍回到下能級。無疑在通常情況下後一過程是弱得多的。
1961年首先在硝基苯中發現受激喇曼散射，後來在許多液體、固體、氣體和原子蒸氣中都觀察到。隨著分立中心的有關能級是分子的振動－轉動能級、原子的電子能級、分子的純轉動能級或半導體中由於電子自旋在磁場中取向不同而分裂成的能級，受激喇曼散射有著不同的類型和不同的頻移。
受激喇曼散射提供了又一種產生頻率可調相干光的現實途徑。例如，用這種機理製作成的自旋反轉喇曼雷射器，通過改變磁場強度,可提供9～14微米及5.2～6.2微米波段的紅外頻率可調雷射,其線寬可小於1千赫。這是目前其他頻率可調紅外雷射源所不能比的。

布里淵散射

另一類重要的受雷射散射現象是受激布里淵散射。當頻率為v1波矢為k1的泵浦光入射於媒質，媒質中的自發超聲場會對入射光產生經歷了頻移的自發布里淵散射。如果又有另一束頻率為vs、波矢為ks的雷射同時作用於媒質，則由於這兩束雷射的同時作用，媒質會產生感應的超聲場。設感應超聲場的頻率為v0，波矢為q。在滿足能量守恆條件vs-v1=±v0及動量守恆條件ks-k1=q時,泵浦光束會被感應超聲場所衍射，衍射的方向正好是另一束頻率為vs的入射雷射的方向。在此情況下，這後一束入射雷射便獲得了增益，且增益的大小正比於泵浦光的強度。同時，感應超聲場也會受到進一步的激勵。當泵浦光強增加到能使增益大於媒質自身引起的損耗時,頻率為vs,波矢為ks的光束會產生自激。換言之,即使只有泵浦光束,也會在ks的方向產生頻率為vs的相干散射光。此時布里淵散射完成了由自發到受激的轉變。可以證明，上述能量和動量守恆條件要求即在與泵浦光束成θ角的方向上,受激布里淵散射發生了大小為上式給出的數值的頻移。其中n、υ和 с分別為媒質的折射率、媒質中的聲速和真空中的光速。
上圖是通常用來同時觀察前向及反向 (θ=180°)受激布里淵散射的實驗裝置。前向和反向受激散射的頻譜均用法布里－珀羅干涉儀來觀測。 　已在許多固體、液體和高壓氣體中觀察到受激布里淵散射。應當指出，觀察受激布里淵或受激喇曼散射所需泵浦光強有時遠低於理論估計值，這是因為常常伴隨此效應發生了泵浦光束的自聚焦，致使泵浦光強在入射到媒質後大大增加。
除了上述兩種類型的受雷射散射外，在20世紀60年代後期觀察到受激瑞利散射，並可細分為受激瑞利翼散射和受激熱瑞利散射。它們和普通瑞利散射相比較，都發生了一定的頻移。但相對說來，目前受激瑞利散射並不如受激喇曼散射及受激布里淵散射那樣受到人們的注意。

參考書目

M.Cardona, ed.,Raman scattering in solids,Springer-Verlag.Berlin,1975.
N.Bloembergen,American Journal of Physics,Vol.35,p.989,1967.
H.Rabin and C.L.Tang,ed.,Quantum Electronics,ATreatise,Vol.1,Academic Press,New York,1975.