En electromagnetisme, la dispersió de Brillouin o dispersió de la llum de Brillouin ('BLS), anomenada així per Léon Brillouin, es refereix a la interacció de la llum amb les ones materials d'un medi (per exemple, electrostricció i magnetostricció). Està mediada per la dependència de l'índex de refracció de les propietats materials del medi; tal com es descriu en òptica, líndex de refracció d'un material transparent canvia sota deformació (compressió-distensió o biaix per cisallament).

El resultat de la interacció entre l'ona de llum i l'ona de deformació de la portadora és que una fracció de l'ona de llum transmesa canvia el seu moment (i, per tant, la seva freqüència i energia) en direccions preferencials, com si fos per difracció causada per una xarxa de difracció tridimensional oscil·lant.

Si el medi és un cristall sòlid, un condensat de cadena macromolecular o un líquid o gas viscós, les ones de deformació de la cadena atòmica de baixa freqüència dins del medi transmissor (no l'ona electromagnètica transmesa) en el portador (representat com una quasipartícula) podrien ser, per exemple:

modes d'oscil·lació de massa (acústics) (anomenats fonons); modes de desplaçament de càrrega (en dielèctrics, anomenats polarons); modes d'oscil·lació de spin magnètic (en materials magnètics, anomenats magnons).

Mecanisme 250x250px Des de la perspectiva de la física de l'estat sòlid, la dispersió de Brillouin és una interacció entre una ona electromagnètica i una de les tres ones de xarxa cristal·lina esmentades anteriorment (per exemple, electrostricció i magnetostricció). La dispersió és inelàstica, és a dir, el fotó pot perdre energia (procés de Stokes) i, en el procés, crear un dels tres tipus de quasipartícules (fonó, polaritó, magnon) o pot guanyar energia (procés anti-Stokes) absorbint un d'aquests tipus de quasipartícules. Aquest canvi en l'energia del fotó, corresponent a un canvi de Brillouin en freqüència, és igual a l'energia de la quasipartícula alliberada o absorbida. Per tant, la dispersió de Brillouin es pot utilitzar per mesurar les energies, longituds d'ona i freqüències de diversos tipus d'oscil·lació de cadena atòmica ("quasipartícules"). Per mesurar un desplaçament de Brillouin s'utilitza un dispositiu habitual anomenat espectròmetre de Brillouin, el disseny del qual es deriva d'un interferòmetre de Fabry-Pérot. Alternativament, es poden utilitzar fotodíodes d'alta velocitat, com els que s'obtenen de transceptors òptics Ethernet de 25 gigabits de baix cost, en combinació amb un analitzador d'espectre de ràdio definit per programari o de RF.

Contrast amb la dispersió de Rayleigh La dispersió de Rayleigh també es pot considerar deguda a fluctuacions en la densitat, la composició i l'orientació de les molècules dins del medi transmissor, i per tant del seu índex de refracció, en petits volums de matèria (particularment en gasos o líquids). La diferència és que la dispersió de Rayleigh només implica les fluctuacions tèrmiques aleatòries i incoherents, en contrast amb les fluctuacions periòdiques correlacionades (fonons) que causen la dispersió de Brillouin. A més, la dispersió de Rayleigh és elàstica, ja que no es perd ni es guanya energia.

Contrast amb la dispersió Raman La dispersió Raman és un altre fenomen que implica la dispersió inelàstica de la llum causada per les propietats vibracionals de la matèria. El rang detectat de canvis de freqüència i altres efectes és molt diferent en comparació amb la dispersió de Brillouin. En la dispersió Raman, els fotons es dispersen per l'efecte de transicions vibracionals i rotacionals en els enllaços entre àtoms veïns de primer ordre, mentre que la dispersió de Brillouin és el resultat de la dispersió de fotons causada per fonons de baixa freqüència i gran escala. Els efectes dels dos fenòmens proporcionen informació molt diferent sobre la mostra: l'espectroscòpia Raman es pot utilitzar per determinar la composició química i l'estructura molecular del medi transmissor, mentre que la dispersió de Brillouin es pot utilitzar per mesurar les propietats del material a una escala més gran, com ara el seu comportament elàstic. Els canvis de freqüència de la dispersió de Brillouin, una tècnica coneguda com a espectroscòpia de Brillouin, es detecten amb un interferòmetre, mentre que la dispersió Raman utilitza un interferòmetre o un espectròmetre dispersiu (de reixeta).

Dispersió de Brillouin estimulada Per a feixos de llum intensos (per exemple, làser) que viatgen en un medi o en una guia d'ones, com ara una fibra òptica, les variacions en el camp elèctric del propi feix poden induir vibracions acústiques en el medi mitjançant electrostricció o pressió de radiació. El feix pot mostrar dispersió de Brillouin com a resultat d'aquestes vibracions, generalment en la direcció oposada al feix entrant, un fenomen conegut com a dispersió de Brillouin estimulada (SBS). Per a líquids i gasos, els canvis de freqüència que es creen normalment són de l'ordre d'1-10 GHz, cosa que resulta en canvis de longitud d'ona d'aproximadament 1-10 pm a la llum visible. La dispersió de Brillouin estimulada és un efecte pel qual es pot produir la conjugació de fase òptica.

Descobriment La dispersió inelàstica de la llum causada per fonons acústics va ser predita per primera vegada per Léon Brillouin el 1914. Es creu que Leonid Mandelstam va reconèixer la possibilitat d'aquesta dispersió ja el 1918, però va publicar la seva idea només el 1926. Per tal de reconèixer el mèrit de Mandelstam, l'efecte també s'anomena dispersió de Brillouin-Mandelstam (BMS). Altres noms més comuns són dispersió de la llum de Brillouin (BLS) i dispersió de la llum de Brillouin-Mandelstam (BMLS).

El procés de dispersió estimulada de Brillouin (SBS) va ser observat per primera vegada per Chiao et al. el 1964. L'aspecte de conjugació de fase òptica del procés SBS va ser descobert per Boris Yakovlevich Zeldovich et al. el 1972.

Detecció de fibra òptica La dispersió de Brillouin també es pot emprar per detectar la tensió mecànica i la temperatura en fibres òptiques.

Referències

Categoria:Electromagnetisme Categoria:Òptica