ブリルアン散乱

電磁気学において、ブリルアン散乱（ブリルアン光散乱またはBLSとも呼ばれる）は、レオン・ブリルアンにちなんで名付けられ、光と媒体内の物質波（たとえば、電歪や磁気歪）の相互作用を指します。これは、媒体の物質特性に対する屈折率の依存性によって媒介されます。光学で説明されているように、透明材料の屈折率は変形（圧縮-膨張または剪断-歪）によって変化します。

光波と搬送波変形波との相互作用の結果、透過光波の一部は、振動する 3 次元回折格子による回折のように、その運動量 (したがって周波数とエネルギー) を優先方向に変化させます。

媒体が固体結晶、高分子鎖凝縮物、または粘性液体や気体である場合、キャリア（準粒子として表される）内の伝送媒体（伝送された電磁波ではない）内の低周波原子鎖変形波は、たとえば次のようになります。

1. 質量振動（音響）モード（フォノンと呼ばれる）
2. 電荷変位モード（誘電体ではポーラロンと呼ばれる）
3. 磁気スピン振動モード（磁性材料ではマグノンと呼ばれる）。

固体物理学の観点から見ると、ブリルアン散乱は電磁波と上記の 3 つの結晶格子波 (例:電歪および磁気歪) の 1 つとの相互作用です。散乱は非弾性です。つまり、光子はエネルギーを失い (ストークス過程)、その過程で 3 つの準粒子タイプ (フォノン、ポラリトン、マグノン) のいずれかを生成するか、またはそれらの準粒子タイプのいずれかを吸収することによってエネルギーを得る (反ストークス過程) 場合があります。このような光子エネルギーのシフトはブリルアン周波数のシフトに対応し、放出または吸収された準粒子のエネルギーに等しくなります。したがって、ブリルアン散乱はさまざまな原子鎖振動タイプ (「準粒子」) のエネルギー、波長、および周波数を測定するために使用できます。ブリルアンシフトを測定するには、ブリルアン分光計と呼ばれる一般的に使用されている装置が使用されます。この装置は、ファブリ・ペロー干渉計から設計が派生したものです。あるいは、安価な25ギガビットイーサネット光トランシーバーから回収された高速フォトダイオードを、ソフトウェア定義無線またはRFスペクトルアナライザーと組み合わせて使用​​​​することもできます。^[1]

レイリー散乱も、小さな体積の物質（特に気体または液体）における、伝達媒体内の分子の密度、組成および配向、したがって屈折率の変動によるものと考えられます。違いは、ブリルアン散乱を引き起こす相関のある周期的な変動（フォノン）とは対照的に、レイリー散乱はランダムで非干渉性の熱変動のみを伴うことです。さらに、レイリー散乱は弾性的であり、エネルギーの損失や獲得はありません。

ラマン散乱は、物質の振動特性によって引き起こされる光の非弾性散乱を伴う別の現象です。検出される周波数シフトの範囲やその他の効果は、ブリルアン散乱と比較して大きく異なります。ラマン散乱では、光子は一次隣接原子間の結合における振動および回転遷移の効果によって散乱されますが、ブリルアン散乱は、大規模な低周波フォノンによって引き起こされる光子の散乱によって生じます。2 つの現象の効果は、サンプルについて非常に異なる情報を提供します。ラマン分光法は、伝送媒体の化学組成と分子構造を決定するために使用できますが、ブリルアン散乱は、材料の特性 (弾性挙動など) をより大規模に測定するために使用できます。ブリルアン散乱による周波数シフト (ブリルアン分光法と呼ばれる手法) は干渉計で検出されますが、ラマン散乱では、干渉計または分散 (格子)分光計が使用されます。

媒体または光ファイバーなどの導波路内を移動する強力な光線（レーザーなど）の場合、光線自体の電界の変化が、電気ひずみまたは放射圧を介して媒体に音響振動を引き起こす可能性があります。これらの振動の結果として、光線はブリルアン散乱を示すことがあり、通常は入射光線と反対の方向に散乱します。この現象は誘導ブリルアン散乱（SBS）として知られています。液体と気体の場合、通常生成される周波数シフトは1～ 10GHzのオーダーであり、可視光で約1～ 10pmの波長シフトをもたらします。誘導ブリルアン散乱は、光位相共役が発生する可能性が ある効果の1つです。

音響フォノンによって引き起こされる光の非弾性散乱は、1914年に レオン・ブリルアンによって初めて予測されました^[2] 。レオニード・マンデリシュタムは、 1918年には早くもそのような散乱の可能性を認識していたと考えられていますが、彼がそのアイデアを発表したのは1926年になってからでした^[3]。 マンデリシュタムの功績を称えて、この効果はブリルアン・マンデルシュタム散乱（BMS）とも呼ばれています。他の一般的な名前は、ブリルアン光散乱（BLS）やブリルアン・マンデルシュタム光散乱（BMLS）です。

誘導ブリルアン散乱 (SBS) のプロセスは、1964 年に Chiao らによって初めて観測されました。SBSプロセスの光位相共役の側面は、1972 年に Boris Yakovlevich Zeldovich らによって発見されました。

ブリルアン散乱は光ファイバーの機械的歪みや温度を感知するためにも利用される。 ^[4]

• ブリルアン分光法
• 散乱
• ラマン散乱
• 非線形光学

• ブリュアン、レオン (1914 年)。 「透明な均質な光の拡散」。Comptes Rendus de l'Académie des Sciences (フランス語)。158 : 1331–4 。2022-09-28に取得。
• ブリュアン、レオン（1922）。 「光とレーヨンの拡散 X 透明な均質な組織」。フィジークのアナレス。9 (17)。 EDP​​ サイエンス: 88–122。Bibcode :1922AnPh....9...88B。土井：10.1051/anphys/192209170088。ISSN  0003-4169。
• リー・マンデルスタム、Zh.ラス。フィズキム。、オーバ。 58、381 (1926)。
• Chiao, RY; Townes, CH; Stoicheff, BP (1964-05-25). 「誘導ブリルアン散乱と強力な超音速波のコヒーレント生成」. Physical Review Letters . 12 (21). American Physical Society (APS): 592–595. Bibcode :1964PhRvL..12..592C. doi :10.1103/physrevlett.12.592. ISSN  0031-9007.
• B.Ya. Zel'dovich、VIPopovichev、VVRagulskii、FSFaisullov、「誘導マンデリシュタムブリルアン散乱における反射光と励起光の波面間の関係」、Sov. Phys. JETP、15、109 (1972)

• CIMIT 医療と革新技術の統合センター
• レーザー物理と技術百科事典におけるブリルアン散乱
• 表面ブリルアン散乱、ハワイ大学
• ブリルアン散乱測定を行っている研究室のリスト（出典：ICMM-CSIC の BS Lab）