ラマン散乱とは何ですか?-イノ

透明な光学媒体の、媒体中を伝わる光の光強度に対する非線形応答は非常に高速です。, しかし瞬間的ではない. 特に, 非瞬間的な応答は格子内の振動によって引き起こされます (またはガラス). これらの振動が光学フォノンに関連している場合, この効果はラマン散乱と呼ばれます, 一方、音響フォノンはブリルアン散乱に関連します. 例えば, 波長の異なる2つのレーザー光線を照射した場合 (通常は同じ偏光方向です) ラマン活性媒体を通じて一緒に伝播する, より長い波長のビーム (ストークス波と呼ばれる)) より短い波長のビームを犠牲にして光学的に増幅できる. 加えて, 格子振動が励起される, 気温の上昇につながる. より長い波長のビームのラマン利得は、ラマン増幅器およびラマンレーザーで利用できます。. ストークス周波数シフトが数テラヘルツの周波数差に相当する場合、ゲインはかなり大きくなる可能性があります。.

ラマン散乱は固体物質だけで発生するわけではありません, 液体や気体でも. 例えば, 分子ガラスには振動/回転励起があり、観察されたストークスシフトはそれらの励起と相関しています。.

ラマン散乱時, ポンプ光子はより低いエネルギーの信号光子に変換されます, そして光子エネルギーの差はフォノンによって持ち去られる (格子振動の量子). 原則として, 既存のフォノンもポンプ光子と相互作用して、より短い波長の反ストークス波に属する高エネルギー光子を生成する可能性があります。. しかし, 通常、プロセスは弱いです, 特に低温では. 注記, しかし, プロセスが位相整合している場合、四光波混合によって強力な反ストークス光も生成されること.

結果として生じるストークス波の強度が十分に高くなったとき, この波は再びさらなるラマンプロセスのポンプとして機能する可能性があります. 特に一部のラマンレーザーでは, 複数のストークス次数が観察可能 (カスケードラマンレーザー).

ラマン散乱は非弾性散乱としても知られています。これは、関連する光子エネルギーの損失が、機械的物体の衝突における運動エネルギーの損失を何らかの形で思い出させるためです。.

上記の励起ラマン散乱効果に加えて, 古典物理学の観点から説明できる, 量子効果によって引き起こされる自発的なラマン散乱もあります.

ラマン散乱は、広範囲のスペクトル内でも発生する可能性があります。, 例えば, 超短光パルス, thus effectively shifting the spectral envelope of the pulse to longer wavelengths (Raman self-frequency shift, also known as soliton self-frequency shift).

Some typical Raman-active media are

Certain molecular gases, such as hydrogen (H 2 ), メタン (CH 4 ), そして二酸化炭素 (CO 2 ), used in the high-voltage cell of a Raman shifter
Solid media such as glass fibers or certain crystals such as barium nitride = Ba(いいえ 3)2, various tungstates such as KGd(WO 4)2 = KGW and KY(WO 4)2 = KYW, and synthetic diamonds

The Raman effect occurs simultaneously with the Kerr effect, which is due to the (almost) instantaneous response of electrons.

形 1: Evolution of the pulse spectrum in a fiber-optic amplifier. Near the right end, excited Raman scattering shifts a large fraction of the power into longer wavelength components. As part of the case study, simulations were performed using the software RP Fiber Power.
形 2: Optical power evolution in a parabolic refractive index multimode fiber, simulated as part of a case study by the digital beam propagation feature of the software RP Fiber Power. The signal wave is strongly amplified while the pump wave is severely depleted. The conversion process involves multiple modes.

In fiber optic devices such as strongly pulsed fiber amplifiers, Raman scattering can be detrimental: it diverts most of the pulse energy into wavelength ranges where no laser amplification occurs. This effect may limit the peak power achievable in such devices. Even in continuous-wave high-power fiber lasers and amplifiers, Raman scattering can be a problem. しかし, there are several solutions to this problem, カイパルス増幅と特別なファイバー設計の使用を含む) ラマンシフトの波長成分を減衰させることでラマン散乱を抑制します。.

一部の非線形結晶材料などのバルク媒体中, ポンプ強度が非常に高く、ビーム幅が十分に大きい場合, 望ましくない励起ラマン散乱は、ノンコリニア位相整合によっても発生する可能性がある. これが発生する可能性があります, 例えば, 強力なポンプパルスで動作する光学パラメータ発生器内.

ラマン散乱はラマン分光法でも使用されます. 特に, 固体材料の振動モードや分子の振動/回転状態を研究することができます。.