ВЫ́НУЖДЕННОЕ РАССЕ́ЯНИЕ СВЕ́ТА

ВЫ́НУЖДЕННОЕ РАССЕ́ЯНИЕ СВЕ́ТА, рас­сея­ние све­та на эле­мен­тар­ных воз­буж­де­ни­ях ак­тив­ной сре­ды, соз­да­вае­мых па­даю­щей вол­ной боль­шой ин­тен­сив­но­сти и са­мим рас­се­ян­ным в этой сре­де излу­че­ни­ем. Эле­мен­тар­ны­ми воз­бу­ж­де­ния­ми яв­ля­ют­ся ко­ле­ба­ния или вра­ще­ния мо­ле­кул, воз­бу­ж­де­ние ато­мов вслед­ст­вие элек­трон­ных пе­ре­хо­дов, уп­ру­гие ко­ле­ба­ния сре­ды и т. п. Ак­тив­ной сре­дой мо­жет быть газ, жид­кость, твёр­дое те­ло (крис­талл, во­ло­кон­ный све­то­вод), плаз­ма.

Воз­мож­ность В. р. с. бы­ла тео­ре­ти­че­ски пред­ска­за­на Г. Пла­че­ком ещё в 1934. Од­на­ко пер­вые ус­пеш­ные экс­пе­ри­мен­ты бы­ли про­ве­де­ны лишь в 1962 по­сле по­яв­ле­ния ла­зе­ров. В. р. с. на­блю­да­ют при об­лу­че­нии ак­тив­ной сре­ды дос­та­точ­но ин­тен­сив­ным ла­зер­ным пуч­ком (на­кач­кой). При этом в вы­хо­дя­щем из ак­тив­ной сре­ды пуч­ке в по­пут­ном и встреч­ном (от­но­си­тель­но пуч­ка на­кач­ки) на­прав­ле­ни­ях со­дер­жат­ся но­вые спек­траль­ные ком­по­нен­ты, сме­щён­ные от­но­си­тель­но час­то­ты на­кач­ки ν_н в «крас­ную» часть спек­тра ( $ν_{c1}=ν_H-Δν_c, ν_{c2}=ν_H-2Δν_c$ и т. д.) и в «си­нюю» часть спек­тра ($ν_{ас1}=ν_н+Δν_с, ν_{ас2}=ν_н+2Δν_с$ и т. д.). Низ­ко­час­тот­ные («крас­ные») ком­по­нен­ты на­зы­ва­ют­ся сто­ксо­вы­ми, вы­со­ко­час­тот­ные («си­ние») – ан­ти­сто­ксо­вы­ми, Δν_с – сто­ксов сдвиг. В эти ком­по­нен­ты мо­жет быть пре­об­ра­зо­ва­на зна­чит. часть энер­гии на­кач­ки.

При­чи­на воз­ник­но­ве­ния В. р. с. – об­рат­ное воз­дей­ст­вие рас­се­ян­ных све­то­вых волн на рас­сеи­ваю­щую сре­ду, обу­слов­лен­ное её оп­тич. не­ли­ней­но­стью. При от­но­си­тель­но низ­кой ин­тен­сив­но­сти вол­ны на­кач­ки про­ис­хо­дит спон­тан­ное рас­сея­ние све­та на слу­чай­ных эле­мен­тар­ных воз­бу­ж­де­ни­ях, вы­зван­ных те­п­ло­вы­ми флук­туа­ция­ми. При дос­та­точ­но боль­шой ин­тен­сив­но­сти на­кач­ки про­ис­хо­дит так­же воз­дей­ст­вие на сре­ду рас­се­ян­ных волн. Вслед­ст­вие это­го эле­мен­тар­ные воз­бу­ж­де­ния ста­но­вят­ся ко­ге­рент­ны­ми. При В. р. с. рез­ко воз­рас­та­ет ин­тен­сив­ность и су­жа­ют­ся диа­грам­мы на­прав­лен­но­сти сто­ксо­вых и ан­ти­сто­ксо­вых ком­по­нент. В слу­чае В. р. с. ин­тен­сив­но­сти рас­се­ян­ных ком­по­нент срав­ни­мы с ин­тен­сив­но­стью на­кач­ки, а при спон­тан­ном рас­сея­нии они со­став­ля­ют 10^–5–10^–6 ин­тен­сив­но­сти на­кач­ки. Су­ще­ст­ву­ет столь­ко же ви­дов В. р. с., сколь­ко ви­дов спон­тан­но­го рас­сея­ния све­та. Рас­сея­ние, оп­ре­де­ляе­мое кван­то­вы­ми ма­те­ри­аль­ны­ми сис­те­ма­ми (мо­ле­ку­ла­ми, ато­ма­ми, элек­тро­на­ми), на­зы­ва­ют ком­би­на­ци­он­ным, а рас­сея­ние, свя­зан­ное с мак­ро­ско­пич. ха­рак­те­ри­сти­ка­ми сре­ды (плот­но­стью, темп-рой и т. п.), – мо­ле­ку­ляр­ным.

Бо­лее на­гляд­но сущ­ность В. р. с. мож­но по­яс­нить на при­ме­ре ши­ро­ко ис­поль­зуе­мо­го вы­ну­ж­ден­но­го ком­би­на­ци­он­но­го рас­сея­ния (ВКР) на ко­ле­ба­ни­ях двух­атом­ных мо­ле­кул, напр. азо­та N₂, ки­сло­ро­да О₂, во­до­ро­да Н₂. Кван­то­вая тео­рия рас­смат­ри­ва­ет свет как по­ток фо­то­нов, а мо­ле­ку­лу как двух­уров­не­вую кван­то­вую сис­те­му, ко­то­рая мо­жет на­хо­дить­ся в од­ном из двух ко­ле­ба­тель­ных со­стоя­ний. В не­воз­бу­ж­дён­ном со­стоя­нии мо­ле­ку­ла на­хо­дит­ся на ниж­нем уров­не с энер­ги­ей $W_1$, а в воз­бу­ж­дён­ном со­стоя­нии – на верх­нем уров­не с энер­ги­ей $W_2$.

Соб­ст­вен­ная час­то­та ко­ле­ба­ний мо­ле­ку­лы $ω=(W_2-W_1)/h$, где $h$ – по­сто­ян­ная План­ка.

Рас­сея­ние све­та мо­ле­ку­лой мож­но рас­смат­ри­вать как эле­мен­тар­ный акт взаи­мо­дей­ст­вия фо­то­нов с двух­уров­не­вой кван­то­вой сис­те­мой. Та­ких эле­мен­тар­ных ак­тов мо­жет быть мно­го, т. к. мо­ле­ку­лы мо­гут на­хо­дить­ся в воз­бу­ж­дён­ном и не­воз­бу­ж­дён­ном со­стоя­ни­ях и взаи­мо­дей­ст­во­вать с фо­то­на­ми на­кач­ки, сто­ксо­вой и ан­ти­сто­ксо­вой ком­по­нен­та­ми. Ес­ли мо­ле­ку­ла на­хо­дит­ся в не­воз­бу­ж­дён­ном со­стоя­нии и взаи­мо­дей­ст­ву­ет с фо­то­ном на­кач­ки, то часть его энер­гии идёт на воз­бу­ж­де­ние мо­ле­ку­лы, она пе­ре­хо­дит на верх­ний уро­вень, и при этом ис­пус­ка­ет­ся сто­ксов фо­тон с энер­ги­ей $hν_с.$ Этот фо­тон мо­жет по­пасть в лю­бое со­стоя­ние по­ля из­лу­че­ния – мо­ду, ко­то­рая ха­рак­те­ри­зу­ет­ся оп­ре­де­лён­ной час­то­той, на­прав­ле­ни­ем рас­про­стра­не­ния и по­ля­ри­за­ци­ей. Та­кое рас­сея­ние на­зы­ва­ет­ся спон­тан­ным сто­ксо­вым ком­би­на­ци­он­ным рас­сея­ни­ем.

Кар­ти­на прин­ци­пи­аль­но ме­ня­ет­ся, ког­да в эле­мен­тар­ном ак­те вме­сте с фо­то­ном на­кач­ки уча­ст­ву­ет внеш­ний (вы­нуж­даю­щий) сто­ксов фо­тон. Ста­ти­стич. свой­ст­ва фо­то­на та­ко­вы, что, ро­ж­да­ясь, он по­па­да­ет в ту же мо­ду, в ко­то­рой на­хо­дит­ся вы­ну­ж­даю­щий фо­тон, уча­ст­вую­щий в его ро­ж­де­нии. По­это­му сто­ксов фо­тон, об­ра­зо­вав­ший­ся при рас­сея­нии, яв­ля­ет­ся точ­ной ко­пи­ей внеш­не­го вы­нуж­даю­ще­го фо­то­на. Та­ким об­ра­зом, в ре­зуль­та­те это­го эле­мен­тар­но­го ак­та чис­ло сто­ксо­вых фо­то­нов уд­ваи­ва­ет­ся – про­ис­хо­дит уси­ле­ние сто­ксо­вой ком­по­нен­ты, и оба фо­то­на на­хо­дят­ся в од­ной моде, т. е. ко­ге­рент­ны. Та­кое уси­ле­ние рас­се­ян­но­го све­та в ак­тив­ной сре­де под дей­ст­ви­ем на­кач­ки и есть ха­рак­тер­ный при­знак В. р. с. Уси­ле­ние ин­тен­сив­но­сти $I_c$ сто­ксо­вой ком­по­нен­ты в ак­тив­ной сре­де дли­ной $L$ про­ис­хо­дит по экс­по­нен­ци­аль­но­му за­ко­ну: $I_c(L)=I_c(0)exp(gI_нL),$ где $I_с(0)$ – ин­тен­сив­ность сто­ксо­вой ком­по­нен­ты на вхо­де в ак­тив­ную сре­ду, $I_н $– ин­тен­сив­ность на­кач­ки, $g$ – ко­эф. уси­ле­ния, за­ви­ся­щий от свойств сре­ды и час­тот $ν_с $ и $ν_н$. При та­ком уси­ле­нии все фо­то­ны на­кач­ки могут быть пре­об­ра­зо­ва­ны в сто­ксо­вы. В. р. с. по­зво­ля­ет пре­вра­щать мно­го­мо­до­вое из­лу­че­ние на­кач­ки в од­но­мо­до­вое ко­ге­рент­ное из­лу­че­ние сто­ксо­вой ком­по­нен­ты. В ре­зуль­та­те та­ко­го пре­об­ра­зо­ва­ния мож­но мно­го­крат­но по­вы­шать яр­кость ла­зер­но­го из­лу­че­ния, осу­ще­ст­в­лять ко­ге­рент­ное сум­ми­ро­ва­ние из­лу­че­ния не­сколь­ких ис­точ­ни­ков на­кач­ки в од­ном про­стран­ст­вен­но-ко­ге­рент­ном пуч­ке сток­со­вой ком­по­нен­ты.

Ес­ли фо­тон на­кач­ки взаи­мо­дей­ст­ву­ет с воз­бу­ж­дён­ной мо­ле­ку­лой, то в ре­зуль­та­те ак­та рас­сея­ния она пе­ре­хо­дит в не­воз­бу­ж­дён­ное со­стоя­ние и ро­ж­да­ет­ся ан­ти­сто­ксов фо­тон. Да­лее ана­ло­гич­ным об­ра­зом воз­мож­но вы­ну­ж­ден­ное ан­ти­сток­со­во рас­сея­ние. Но обыч­но боль­шин­ст­во мо­ле­кул на­хо­дит­ся в не­воз­буж­дён­ном со­стоя­нии, по­это­му при ВКР пре­об­ла­да­ет сто­ксо­во рас­сея­ние.

ВКР мо­жет про­ис­хо­дить на ко­ле­ба­тель­ных уров­нях мо­ле­кул га­зов, жид­ко­стей, твёр­дых тел; на вра­ща­тель­ных уров­нях мо­ле­кул га­зов; на элек­трон­ных уров­нях ато­мар­ных га­зов (пары́ ме­тал­лов); на спи­но­вых по­ду­ров­нях уров­ней Лан­дау по­лу­про­вод­ни­ков. К вы­ну­ж­ден­но­му мо­ле­ку­ляр­но­му рас­сея­нию от­но­сят­ся: вы­ну­ж­ден­ное рас­сея­ние Ман­дель­шта­ма – Брил­лю­эна, про­ис­хо­дя­щее на ги­пер­зву­ко­вых вол­нах в га­зах, жид­ко­стях и твёр­дом те­ле; В. р. с. на кры­ле ли­нии Рэ­лея, свя­зан­ное с ани­зо­тро­пи­ей мо­ле­кул жид­ко­стей и га­зов; вы­ну­ж­ден­ное те­п­ло­вое рас­сея­ние на тем­пе­ра­тур­ных вол­нах, на вол­нах кон­цен­тра­ции.

В. р. с. име­ет боль­шое прак­тич. при­ме­не­ние. Оно ис­поль­зу­ет­ся для пре­об­ра­зо­ва­ния час­то­ты ла­зер­но­го из­лу­че­ния, по­вы­ше­ния плот­но­сти энер­гии и ин­тен­сив­но­сти из­лу­че­ния, для улуч­ше­ния на­прав­лен­но­сти ла­зер­но­го из­лу­че­ния, при об­ра­ще­нии вол­но­во­го фрон­та, для уси­ле­ния сиг­на­лов в сис­те­мах во­ло­кон­ной оп­тич. свя­зи и др.