КОМБИНАЦИО́ННОЕ РАССЕ́ЯНИЕ СВЕ́ТА

КОМБИНАЦИО́ННОЕ РАССЕ́ЯНИЕ СВЕ́ТА, рас­сея­ние све­то­вых волн, при ко­то­ром час­то­ты па­даю­щих и пе­ре­из­лу­чён­ных (рас­се­ян­ных) волн от­ли­ча­ют­ся друг от дру­га на час­то­ты соб­ст­вен­ных ко­ле­ба­ний в ве­ще­ст­ве (час­то­ты кван­то­вых пе­ре­хо­дов ме­ж­ду элек­трон­ны­ми, ко­ле­ба­тель­ны­ми и вра­ща­тель­ны­ми уров­ня­ми энер­гии в ато­мах и мо­ле­ку­лах, час­то­ты оп­тич. фо­но­нов в кри­стал­лах и т. п.).

Эф­фект К. р. с. был пред­ска­зан австр. фи­зи­ком А. Сме­ка­лем в 1923; от­крыт Г. С. Ланд­сбер­гом и Л. И. Ман­дель­шта­мом в 1928 при рас­сея­нии све­та в крис­тал­лах. Од­но­вре­мен­но К. р. с. в жид­кос­тях бы­ло за­ре­ги­ст­ри­ро­ва­но Ч. В. Ра­ма­ном и инд. фи­зи­ком К. С. Криш­на­ном.

Клас­сич. кар­ти­ну К. р. с. мож­но рас­смот­реть на при­ме­ре мо­ле­ку­ляр­ных ко­ле­ба­ний. Ко­ле­ба­ния атом­ных ядер в мо­ле­ку­ле с час­то­той Ω мо­ду­ли­ру­ют по­ляри­зуе­мость мо­ле­ку­лы, что при­во­дит к со­от­вет­ст­вую­ще­му из­ме­не­нию ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­сти сре­ды. Ам­пли­ту­да све­то­вой вол­ны с час­то­той ω₀, про­хо­дя­щей че­рез сре­ду с мо­ду­ли­ро­ван­ной ди­элек­трич. про­ни­цае­мо­стью, мо­ду­ли­ру­ет­ся с час­то­той Ω. Это оз­на­ча­ет, что в спек­тре вол­ны кро­ме осн. ком­по­нен­ты по­яв­ля­ют­ся «бо­ко­вые» ли­нии с час­то­та­ми ω_s=ω₀-Ω и ω_a=ω₀+Ω. Низ­ко­час­тот­ную ли­нию (ω_s) обыч­но на­зы­ва­ют сток­со­вой ком­по­нен­той ком­би­на­ци­он­но­го рас­сея­ния, а вы­со­ко­час­тот­ную (ω_a) – ан­ти­сто­ксо­вой ком­по­нен­той.

Ана­ло­гич­ная трак­тов­ка К. р. с. спра­вед­ли­ва так­же для слу­чая уп­ру­гих ко­ле­ба­ний в твёр­дых те­лах, для вра­ща­тель­но­го дви­же­ния мо­ле­кул, для внут­ри­атом­но­го (внут­ри­мо­ле­ку­ляр­но­го) дви­же­ния элек­тро­нов и т. д.

Рис. 1. Спонтанное двухфотонное комбинационное рассеяние с появлением стоксовой (а) или антистоксовой (б) компоненты.

Со­глас­но кван­то­вой тео­рии, К. р. с. пред­став­ля­ет со­бой двух­фо­тон­ный про­цесс (см. Мно­го­фо­тон­ные про­цес­сы), при ко­то­ром в од­ном эле­мен­тар­ном ак­те взаи­мо­дей­ст­вия элек­тро­маг­нит­но­го по­ля с кван­то­вой сис­те­мой (ато­мом, мо­ле­ку­лой и т. п.) по­гло­ща­ет­ся один фо­тон па­даю­ще­го из­лу­че­ния с час­то­той ω₀ и ис­пус­ка­ет­ся фо­тон рас­се­ян­но­го из­лу­че­ния с час­то­той ω. При этом кван­то­вая сис­тема пе­ре­хо­дит из на­чаль­но­го со­стоя­ния с энер­ги­ей ℰ_i в ко­неч­ное со­стоя­ние с энер­ги­ей ℰ_f. В со­от­вет­ст­вии с за­ко­ном со­хра­не­ния энер­гии час­то­та рас­се­ян­но­го из­лу­че­ния оп­ре­де­ля­ет­ся ра­вен­ст­вом ℏω=ℏω₀-ℏω_fi, где ω_fi=(ℰ_f-ℰ_i)/ℏ – час­то­та кван­то­во­го пе­ре­хо­да, ℏ – по­сто­янная План­ка. Ес­ли кван­то­вая сис­те­ма пер­во­на­чаль­но на­хо­ди­лась в со­стоя­нии с мень­шей энер­ги­ей, ℰ_i<ℰ_f (рис. 1, а), то рас­се­ян­ное из­лу­че­ние сме­ще­но в сто­ро­ну мень­ших час­тот на ве­ли­чи­ну Ω=$\big| \omega_{fi}\big|$, т. е. ω=ω_s=ω₀-Ω (сто­ксо­ва ком­по­нен­та). Ес­ли же E_i>ℰ_f (рис. 1, б), то рас­се­ян­ный свет име­ет бóльшую час­то­ту: ω=ω_a=ω₀+Ω (ан­ти­сто­ксо­ва ком­по­нен­та). Т. о., ω яв­ля­ет­ся ком­би­на­ци­ей час­то­ты па­даю­ще­го из­лу­че­ния и соб­ст­вен­ных час­тот ве­ще­ст­ва: от­сю­да назв. эф­фек­та. Ши­ро­ко рас­про­стра­не­но так­же (осо­бен­но в за­ру­беж­ной ли­те­ра­ту­ре) назв. ра­ма­нов­ское рас­сея­ние, или ра­ман-эф­фект.

Фо­то­ны рас­се­ян­но­го из­лу­че­ния мо­гут ис­пус­кать­ся в ре­зуль­та­те ли­бо спон­тан­ных кван­то­вых пе­ре­хо­дов, ли­бо пе­ре­хо­дов, ин­ду­ци­ро­ван­ных из­лу­че­ни­ем на час­то­те ω (см. Вы­ну­ж­ден­ное ис­пус­ка­ние). В пер­вом слу­чае речь идёт о т. н. спон­тан­ном К. р. с., во вто­ром – о вы­ну­ж­ден­ном ком­би­на­ци­он­ном рас­сея­нии (см. Вы­ну­ж­ден­ное рас­сея­ние све­та). При спон­тан­ном рас­сея­нии из­лу­че­ние про­ис­хо­дит во всех на­прав­ле­ни­ях, а отд. ак­ты ис­пус­ка­ния фо­то­нов не кор­ре­ли­ро­ва­ны ме­ж­ду со­бой. По­это­му рас­се­ян­ное из­лу­че­ние ока­зы­ва­ет­ся не­ко­ге­рент­ным. Его ин­тен­сив­ность про­пор­цио­наль­на ин­тен­сив­но­сти па­даю­ще­го из­лу­че­ния и плот­но­сти чис­ла кван­то­вых сис­тем (ато­мов, мо­ле­кул), на­хо­дя­щих­ся на на­чаль­ном уров­не. По­сколь­ку при обыч­ных ус­ло­ви­ях на­се­лён­но­сти кван­то­вых уров­ней бы­ст­ро убы­ва­ют с уве­ли­че­ни­ем их энер­гии, ин­тен­сив­ность ан­ти­сто­ксо­вых ком­по­нент, для ко­то­рых стар­то­вый уро­вень яв­ля­ет­ся воз­бу­ж­дён­ным, как пра­ви­ло, су­ще­ст­вен­но мень­ше ин­тен­сив­но­сти сто­ксо­вых ли­ний рас­сея­ния.

Для по­лу­че­ния спек­тров спон­тан­но­го К. р. с. не­об­хо­ди­мо при­ме­нять ис­точ­ни­ки ин­тен­сив­но­го мо­но­хро­ма­тич. из­лу­чения. В ка­че­ст­ве та­ко­вых дли­тель­ное вре­мя ис­поль­зо­ва­лись ртут­ные лам­пы. С 1960-х гг. осн. ис­точ­ни­ка­ми воз­бу­ж­даю­ще­го из­лу­че­ния яв­ля­ют­ся ла­зе­ры.

Спон­тан­ное К. р. с. обыч­но ре­ги­ст­ри­ру­ют в на­прав­ле­нии, пер­пен­ди­ку­ляр­ном пуч­ку воз­бу­ж­даю­ще­го све­та. В этом слу­чае спектр со­дер­жит цен­траль­ную ли­нию с час­то­той ω₀, обу­слов­лен­ную рэ­ле­ев­ским рас­сея­ни­ем па­даю­ще­го из­лу­че­ния (см. Рас­сея­ние све­та), и се­рию ли­ний- спут­ни­ков в сто­ксо­вой (низ­ко­час­тот­ной) и ан­ти­сто­ксо­вой об­лас­тях. Из­ме­ре­ние час­тот­ных ин­тер­ва­лов ме­ж­ду ли­ния­ми да­ёт ин­фор­ма­цию о струк­ту­ре энер­ге­тич. спек­тра ве­ще­ст­ва, а ши­ри­на и фор­ма спек­траль­ных ли­ний по­зво­ля­ют су­дить о ре­лак­са­ци­он­ных про­цес­сах в ве­ще­ст­ве.

По­сколь­ку К. р. с. яв­ля­ет­ся двух­фо­тон­ным про­цес­сом, оно под­чи­ня­ет­ся пра­ви­лам от­бо­ра, от­лич­ным от та­ко­вых для од­но­фо­тон­ных про­цес­сов, от­вет­ст­вен­ных за ре­зо­нанс­ное по­гло­ще­ние све­та и лю­ми­нес­цен­цию. По­это­му в спек­трах К. р. с. час­то про­яв­ля­ют­ся кван­то­вые пе­ре­хо­ды, от­сут­ст­вую­щие в спек­трах по­гло­ще­ния и лю­ми­нес­цен­ции. К. р. с. да­ёт воз­мож­ность ис­сле­до­вать с по­мо­щью оп­тич. из­лу­че­ния эле­мен­тар­ные воз­бу­ж­де­ния, час­то­ты ко­то­рых ле­жат в да­лё­кой ИК-об­лас­ти и да­же в ра­дио­диа­па­зо­не.

Вы­ну­ж­ден­ное ком­би­на­ци­он­ное рас­сея­ние све­та (ВКР) про­яв­ля­ет­ся при боль­шой ин­тен­сив­но­сти па­даю­ще­го из­лу­че­ния (на­кач­ки). В этом слу­чае плот­ность рас­се­ян­ных фо­то­нов ста­но­вит­ся столь зна­чи­тель­ной, что пре­об­ла­даю­щий вклад в ро­ж­де­ние но­вых фо­то­нов да­ют про­цес­сы вы­ну­ж­ден­но­го ис­пус­ка­ния. В ре­зуль­та­те воз­ни­ка­ют кор­ре­ля­ции ме­ж­ду эле­мен­тар­ны­ми ак­та­ми рас­сея­ния в раз­ных точ­ках сре­ды и рас­се­ян­ное из­лу­че­ние ста­но­вит­ся ко­ге­рент­ным.

Рис. 2. Вынужденное четырёхфотонное комбинационное рассеяние с появлением одновременно стоксовой и антистоксовой компонент.

При ВКР, кро­ме двух­фо­тон­ных про­цес­сов, су­ще­ст­вен­ную роль иг­ра­ют че­тырёх­фо­тон­ные па­ра­мет­рич. про­цес­сы с час­то­та­ми 2ω₀-ω_s-ω_a=0 (рис. 2), от­вет­ст­вен­ные за од­но­вре­мен­ное по­яв­ле­ние сто­ксо­вой и ан­ти­сто­ксо­вой ком­по­нент. По­сколь­ку при па­ра­мет­рич. про­цес­сах про­ис­хо­дит фа­зо­вое со­гла­со­ва­ние волн, ан­ти­сто­ксо­ва ком­по­нен­та при ВКР на­блю­да­ет­ся толь­ко в на­прав­ле­нии рас­про­стра­не­ния на­кач­ки. В то же вре­мя эф­фек­тив­ная ге­не­ра­ция сто­ксо­вой ком­по­нен­ты воз­мож­на и в пря­мом, и в об­рат­ном на­прав­ле­нии. ВКР ши­ро­ко ис­поль­зу­ет­ся для пре­об­ра­зо­ва­ния час­то­ты ла­зер­но­го из­лу­че­ния.

Спек­тро­ско­пия спон­тан­но­го К. р. с. яв­ля­ет­ся эф­фек­тив­ным ме­то­дом ис­сле­до­ва­ния строе­ния мо­ле­кул и про­цес­сов их взаи­мо­дей­ст­вия с ок­ру­жаю­щей сре­дой. Ме­то­да­ми К. р. с. изу­ча­ют так­же ква­зи­ча­сти­цы в твёр­дых те­лах, строе­ние на­но­ст­рук­тур­ных об­ра­зо­ва­ний и про­цес­сов в них. К. р. с. при­ме­ня­ет­ся в спек­траль­ном ана­ли­зе, ши­ро­ко ис­поль­зуе­мом в хи­мич. ис­сле­до­ва­ни­ях. Ка­ж­дое хи­мич. со­еди­не­ние име­ет свой спе­ци­фич. спектр К. р. с., на ос­но­ве ко­то­ро­го мож­но иден­ти­фи­ци­ро­вать это со­еди­не­ние и об­на­ру­жить его в сме­си (см. Спек­траль­ный ана­лиз). Па­ра­мет­ры не­ко­то­рых ли­ний в спек­трах К. р. с. со­хра­ня­ют­ся в раз­ных хи­мич. со­еди­не­ни­ях, со­дер­жа­щих один и тот же струк­тур­ный эле­мент, напр. $\ce{C=C}$, $\ce{C-H}$ и др. Это ис­поль­зу­ет­ся в струк­тур­ном ана­ли­зе мо­ле­кул с не­из­вест­ным строе­ни­ем.

Вы­ну­ж­ден­ное К. р. с. яви­лось ос­но­вой ря­да ме­то­дов не­ли­ней­ной спек­тро­ско­пии, по­зво­ляю­щих про­во­дить ис­сле­до­ва­ния в ве­ще­ст­ве с вы­со­ким про­стран­ст­вен­ным и вре­мен­ны́м раз­ре­ше­ни­ем.