O que é espalhamento Raman?-INNO

The nonlinear response of a transparent optical medium to the optical intensity of light traveling through the medium is very fast, but not instantaneous. Em particular, the non-instantaneous response is caused by vibrations in the lattice (or glass). When these vibrations are associated with optical phonons, the effect is called Raman scattering, while acoustic phonons are associated with Brillouin scattering. Por exemplo, when two laser beams with different wavelengths (usually with the same direction of polarization) propagate together through a Raman-active medium, the longer wavelength beam (called a Stokes wave)) can be optically amplified at the expense of the shorter wavelength beam. Além disso, the lattice vibrations are excited, leading to an increase in temperature. O ganho Raman de feixes de comprimento de onda mais longos pode ser utilizado em amplificadores Raman e lasers Raman. O ganho pode ser substancial se a mudança de frequência de Stokes corresponder a uma diferença de frequência de alguns terahertz..

O espalhamento Raman pode ocorrer não apenas em materiais sólidos, mas também em líquidos ou gases. Por exemplo, os vidros moleculares têm excitações vibracionais/rotacionais e os deslocamentos de Stokes observados estão correlacionados com aqueles.

Durante a dispersão Raman, um fóton de bomba é convertido em um fóton de sinal de energia mais baixa, e a diferença na energia dos fótons é levada pelos fônons (quanta de vibrações da rede). Em princípio, um fônon já existente também pode interagir com o fóton da bomba para produzir um fóton de energia mais alta que pertence a uma onda anti-Stokes de comprimento de onda mais curto.. No entanto, o processo geralmente é fraco, especialmente em baixas temperaturas. 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, such as hydrogen (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(NÃO 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, simulações foram realizadas utilizando o 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, including chi pulse amplification and the use of special fiber designs) 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.