Brillouin saçılması
Brillouin saçılması Leon Brillouin'den sonra isimlendirilmiştir. Işığın saydam bir cisimden geçmesiyle birlikte ve maddeyle etkileşime girmesiyle birlikte periyodik uzaysal ve zamansal farklılıkları maddenin yansıtıcı indeksinde oluşturmaktadır. Optikte de belirtildiği gibi, yansımanın indeksi saydam malzemede deformasyonla oluşmaktadır. (Özetleme veya kesme eğiltme) Işık dalgası ile taşıyıcı deformasyon dalgası arasında oluşan etkileşimin sonucu iletilmiş ışık dalgası değişimi ve momentumunun kesrinin istenilen yönlerde belirtilmesidir. ( Frekansı ve enerjisi de bundan etkilenmektedir.) Aynı kırılmanın 3 boyutlu sistemde salınım yapmasından oluşan kırılma buna benzemektedir. Eğer madde katı kristal ise, makromoleküler zincir ise veya viskoz sıvı ya da gaz ise, düşük frekanslı atomik zincir bozulma dalgaları maddenin içinde taşıyıcılarla iletilmektedirler. ( fakat bu iletinler elektromanyetik dalgalar değildirler.) Bunlara şu örnekler verilebilir:
- Kütle salınımı (akustik) modu (fonon);
- Yük değişimi modu ( dielektrikler, polaronlar);
- Manyetik spin salınım modu (Manyetik malzemeler, magnonlar).
Mekanizma
Katı hal fiziğinin perspektifinden bakacak olursak Brillouin saçılması elektromanyetik dalgalar ile yukarıda belirtilen üç maddenin herhangi biri arasında oluşan kristal örgü dalgalarıdır. Saçılma inelastik olarak gerçekleşmektedir. Örnek olarak, foton enerjisini kaybedebilmektedir (Stokes süreci) ve üç farklı yalancı parrçacık oluşumu sırasında (fonon, polaron,magnon) enerji kaybedebilmektedir veya anti-Stokes ile enerji kazanabilmektedir. Bu dabu 3 parçacığın birisini soğurarak gerçekleştirilmektedir. Foton enerjisinde oluşan kayma, Brillouin saçılmasında frekanstaki kaymayı ifade eder, bu üç parçacığın bırakılma ya da soğurulma enerjilerinden birisine eşittir. Böylece, Brillouin saçılması enerji ölçümünde kullanılmaktadırlar. Dalgaboyları ve frekans ölçümünde farklı atomik salınım zincir türlerinde kullanılmaktadırlar. Brillouin kaymasını ölçmek amacıyla kullanılan araç genellikle Brillouin spektrometresidir ve dizaynı Fabry-Perot girişimölçerinden esinlenilmiştir.
Rayleigh Saçılımı ile Farklılıkları
Rayleigh saçılımı yoğunlukta oluşan dalgalanmalardan dolayı moleküllerin dizilimi ve yönlendirilmesi ile alakalı iletilen maddede ve bundan dolayı kırılma indeksinde maddenin küçük hacimleriyle (özellikle gazlarda ve sıvılarda) bu şekilde kategorize edilmektedirler. Aralarında fark ise Rayleigh saçılımının sadece sıradan ve alakasız termal dalgalar içermesidir. Eş güdümlülerin aksine periyodik dalgalanmalar Brillouin saçılımının oluşmasına neden olmaktadırlar.
Raman Saçılımı ile Farklılıkları
Raman saçılması ile maddede ışığın inelastik saçılması ile oluşan titreşim özellikleri gösteren bir farklı türde ışıma çeşididir. Belirlenen frekans menzil,i kaymaktadır ve diğer etkiler Brillouin saçılmasıyla kıyaslandıkça daha da farklıdır. Raman saçılmasında, fotonlar titreşimden dolayı saçılmaktadırlar ve bağlar arasında en yakın atomlarla oluşan dönme etkisinden dolayı gözlemlenmektedirler. Brillouin ışıması fotonların geniş skalalarından dolayı sonuçlanırken, düşük frekansları ise fononları oluşturmaktadır. Bu ikisinin oluşturduğu etkiler maddeden çok farklı bilgiler sağlamaktadırlar: Raman spektroskopisi iletilen maddenin kimyasal bileşimini ve moleküler yapısını belirtmektedir. Brillouin saçılma maddenin malzeme özelliğinin geniş skalada ölçümünü sağlamaktadır. - elastik özelliği gibi-. Brillouin saçılmasından kayan frekans, Brillouin Spektroskopisi olarak da bilinen bir tekniktir, girişimölçer ile saptanmaktadır ve buna karşılık Raman saçılması ya girişimölçer ya da dağıtıcı spektrometre kullanmaktadır.
Hareketli Brillouin Saçılması
Işığın yoğun dalgaları (lazer gibi) maddede hareket etmektedir, fiber optik gibi, ışığın elektrik alanının farklıları kendisini akustik titreşimlerle indüklemektedir ve maddenin için elektriksel büzülme ile veya radyasyon basıncı ile bu olaylar gerçekleşmektedirler. Işın Brillouibn saçılımını titreşimlerin birer sonucu olarak gösterebilmektedirler, genellikle gelen ışının tersi yöndedir ve bu hareketli Brillouin saçılımı olarak bilinmektedir (SBS). Sıvılar ve gazlar için ise frekans genel olarak 1-10 Ghz arasında olup 1-10 pm dalga boyuna görünür bölgede kaymaktadırlar. Hareketli Brillouin saçılımı optik faz konjugasyonu olan bir etki olarak gerçekleşmektedir.
Keşfi
Işığın inelastik olarak saçılımı akustik fononlardan dolayı gerçekleşmektedir ve fononlar ilk olarak Leon Brillouin tarafından 1922 yılında gözlemlenmişlerdir. Leonid Mandelstam bu tür saçılmaların olabileceğini 1918 yılında öngörmüştü fakat düşüncelerini 1926 yılında dile getirmişti. Mandelstam'a olan saygıdan ve övgüden doalyı bu etki aynı zamanda Brillouin-Mandelstam saçılımı (BMS) olarak da bilinmektedir. Diğer kullanılan yaygın isimler ise Brillouin ışık saçılımı (BLS), Brillouin-Mandelstam ışık saçılımıdır (BMLS). Hareketli Brillouin saçılımı sürecinde ilk olarak Chiao 1964 yılında gözlemlenmiştir. Optik faz konjugasyonu SBS sürecinin 1972 yılında Zel'dovich tarafından gözlemlenen farklı bir yönüdür.
Fiber Optik Algı
Brillouin saçılması aynı zamanda mekanik gerginliğin ve ısının fiber optiklerde görevlendirilmesidir.
Kaynakça
- Léon Brillouin, Ann. Phys. (Paris) 17, 88 (1922).
- L.I. Mandelstam, Zh. Russ. Fiz-Khim., Ova. 58, 381 (1926).
- R.Y.Chiao, C.H.Townes and B.P.Stoicheff, "Stimulated Brillouin scattering and coherent generation of intense hypersonic waves," Phys. Rev. Lett., 12, 592 (1964)
- B.Ya. Zel’dovich, V.I.Popovichev, V.V.Ragulskii and F.S.Faisullov, "Connection between the wavefronts of the reflected and exciting light in stimulated Mandel’shtam Brillouin scattering," Sov. Phys. JETP, 15, 109 (1972)