O que é espalhamento Raman?-INNO

A resposta não linear de um meio óptico transparente à intensidade óptica da luz que viaja através do meio é muito rápida, mas não instantâneo. Em particular, a resposta não instantânea é causada por vibrações na rede (ou vidro). Quando essas vibrações estão associadas a fônons ópticos, o efeito é chamado de espalhamento Raman, enquanto os fônons acústicos estão associados ao espalhamento de Brillouin. Por exemplo, quando dois feixes de laser com comprimentos de onda diferentes (geralmente com a mesma direção de polarização) propagar juntos através de um meio ativo Raman, o feixe de comprimento de onda mais longo (chamada onda de Stokes)) pode ser amplificado opticamente às custas do feixe de comprimento de onda mais curto. Além disso, as vibrações da rede são excitadas, levando a um aumento na temperatura. The Raman gain of longer wavelength beams can be utilized in Raman amplifiers and Raman lasers. The gain may be substantial if the Stokes frequency shift corresponds to a frequency difference of a few terahertz.

Raman scattering can occur not only in solid materials, but also in liquids or gases. Por exemplo, molecular glasses have vibrational/rotational excitations and the observed Stokes shifts are correlated with those.

During Raman scattering, a pump photon is converted into a signal photon of lower energy, and the difference in photon energy is carried away by phonons (quanta of lattice vibrations). Em princípio, an already existing phonon may also interact with the pump photon to produce a higher energy photon that belongs to a shorter wavelength anti-Stokes wave. No entanto, the process is usually weak, especially at low temperatures. Observação, no entanto, que a mistura de quatro ondas também produz forte luz anti-Stokes se o processo tiver correspondência de fase.

Quando a intensidade da onda de Stokes resultante se torna suficientemente alta, a onda pode novamente atuar como uma bomba para processos Raman adicionais. Especialmente em alguns lasers Raman, vários pedidos de Stokes podem ser observados (lasers Raman em cascata).

O espalhamento Raman também é conhecido como espalhamento inelástico porque a perda de energia do fóton envolvida lembra de alguma forma a perda de energia cinética na colisão de objetos mecânicos..

Além dos efeitos de espalhamento Raman excitados acima, que pode ser descrito em termos de física clássica, há também espalhamento Raman espontâneo causado por efeitos quânticos.

A dispersão Raman também pode ocorrer dentro do amplo espectro de, por exemplo, um pulso óptico ultracurto, 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, como o hidrogênio (H 2 ), metano (CH 4 ), e dióxido de carbono (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(NO 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.

Figura 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.
Figura 2: Evolução da potência óptica em uma fibra multimodo com índice de refração parabólico, simulado como parte de um estudo de caso pelo recurso de propagação digital de feixe do software RP Fiber Power. A onda do sinal é fortemente amplificada enquanto a onda da bomba está severamente esgotada. O processo de conversão envolve vários modos.

Em dispositivos de fibra óptica, como amplificadores de fibra fortemente pulsados, A dispersão Raman pode ser prejudicial: ele desvia a maior parte da energia do pulso para faixas de comprimento de onda onde não ocorre amplificação do laser. Este efeito pode limitar a potência de pico alcançável em tais dispositivos. Mesmo em amplificadores e lasers de fibra de alta potência e ondas contínuas, A dispersão Raman pode ser um problema. No entanto, existem várias soluções para este problema, incluindo amplificação de pulso chi e o uso de designs de fibra especiais) that suppress Raman scattering by attenuating the wavelength component of the Raman shift.

In bulk media such as some nonlinear crystalline materials, if the pump intensity is quite high and the beam width is sufficiently large, undesired excited Raman scattering can occur even by noncollinear phase matching. This may occur, por exemplo, in an optical parameter generator operating with a strong pump pulse.

Raman scattering is also used in Raman spectroscopy. Em particular, it allows one to study the vibrational modes of solid materials and the vibrational/rotational states of molecules.