布里渊散射，拉曼光谱布里渊散射光谱红外吸收光谱的区别和联系
来源：整理 编辑：智能门户 2024-11-08 14:53:03
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1，拉曼光谱布里渊散射光谱红外吸收光谱的区别和联系
飞秒检测发现拉曼光谱是基于分子的对称振动产生的能量辐射和吸收，布里渊散射也属于喇曼效应，即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，其频率变化表征了元激发的能量。与拉曼散射不同的是，在布里渊散射中是研究能量较小的元激发，如声学声子和磁振子等。而红外吸收光谱是基于分子的不对称振动而产生的吸收和能量辐射
2，布里渊散射的介绍
布里渊散射是布里渊于1922年提出的，可以研究气体，液体和固体中的声学振动，但作为一种实用的研究手段，是在激光出现以后才发展起来的。布里渊散射也属于喇曼效应，即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，其频率变化表征了元激发的能量。与喇曼散射不同的是，在布里渊散射中是研究能量较小的元激发，如声学声子和磁振子等。
3，什么叫布里渊散射和布拉格散射
在弹性散射(elastic scattering)中: 入射光的能量没有损耗,但入射光的传播方向发生变化.当入射光之波长(如X光)与物质晶格间距接近时,为所谓布拉格散射(Bragg scattering);若入射光之波长(如可见光)远大於物质晶格间距时,为所谓雷利散(Rayleigh scattering). 布里渊散射一种最重要的非弹性散射称为布里渊散射(Brillouin scattering)。它是由于声波通过介质时所引起的折射率不均匀而产生的。
4，BOTDR技术是什么技术
布里渊散射是光在光纤中传输过程中发生的一种非线性效应。由于它的存在使光信号产生传输损耗,这对信号传输而言是不利的,但人们可以利用这种效应对光纤进行测量。布里渊散射是由光子与声子的相互作用产生的,其结果是散射光相对于入射光产生频移,频移的大小与材料的声速成正比,而声速与光纤应变成正比。光在光纤中传播时，从光纤返回的后向散射光有3种成分：（1） 由光纤折射率的微小变化引起的瑞利（RayLeigh）散射，其频率与入射光相同；（2）由光子与光声子相互作用而引起的拉曼（Raman）散射，其频率与入射光相差几十太赫兹；（3） 由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用而引起的布里渊（Brillouin）散射。其频率与入射光相差几十吉赫兹。因此，时域分布光纤检测系统按光的载体可分为三种形式：基于拉曼散射的分布式光纤检测系统、基于瑞利散射的分布式光纤监测系统和基于布里渊散射的分布式光纤检测系统（BOTDR）。当前，前二种形式的研究和应用较多，后一种形式是国际上近年来才研发出来的一项尖端技术，国内研究才刚刚起步。由于后一种形式可用来测量光纤沿线的应变分布，可以预计，不久在这方面将有所突破，并且前二种形式将发展成更多的应用种类，逐渐向大坝安全监测的各个领域渗透。光纤网络布置形式将更趋丰富多样，更趋科学合理。 布里渊散射的基本原理是利用光纤中的布里渊散射光的频移变化量与光纤所受的轴向应变和温度之间的线性关系。布里渊散射光与其他散射光相比的另一个突出优点是它的频移变化量与温度相关性比应变的相关性要小得多（0.002%/℃）。 生技论坛：http://bbs.biogo.net实验技术讨论群：14493489
5，光的散射的介绍
光的散射（scattering of light）是指光通过不均匀介质时一部分光偏离原方向传播的现象。偏离原方向的光称为散射光。散射光波长不发生改变的有丁铎尔散射、分子散射；波长发生改变的有拉曼散射、布里渊散射和康普顿散射等。丁铎尔散射首先由J.丁铎尔研究，是由均匀介质中 的悬浮粒子（如空气中的烟雾、尘埃）以及浮浊液、胶体等引起的散射。真溶液不产生丁铎尔散射，化学中常根据有无丁铎尔散射来区别胶体和真溶液。分子散射是由分子热运动所造成的密度涨落引起的散射。波长发生改变的散射与散射物质的微观结构有关。入射光与介质的分子运动间相互作用而引起的频率发生改变的散射。1928年c.拉曼在液体和气体中观察到散射光频率发生改变的现象，称拉曼效应或拉曼散射。拉曼散射遵守如下规律：散射光中在原始入射谱线（频率为ω0）两侧对称地伴有频率为ω0±ωi(i=1,2,3,…)的一组谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线，统称拉曼谱线；频率差ωi与入射光频率ω0无关，仅由散射物质的性质决定。每种物质都有自己特有的拉曼谱线，常与物质的红外吸收谱相吻合。在经典理论的解释中，介质分子以固有频率ωi振动，与频率为ω0的入射光耦合后产生ω0、ω0－ωi和ω0+ωi三种频率的振动，频率为ω0的振动辐射瑞利散射光，后两种频率对应斯托克斯线和反斯托克斯线。拉曼散射的诠释需用量子力学，不仅可解释散射光的频移，还能解决诸如强度和偏振等问题。 按量子力学，晶体中原子的固有振动能量是量子化的，所有原子振动形成的格波也是量子化的，称为声子。拉曼散射和布里渊散射都是入射光子与声子的非弹性碰撞结果。晶格振动分频率较高的光学支和频率较低的声学支，前者参与的散射是拉曼散射，后者参与的散射是布里渊散射。固体中的各种缺陷、杂质等只要能引起极化率变化的元激发均能产生光的散射过程，称广义的拉曼散射。按习惯频移波数在50—1,000/厘米间为拉曼散射，在0.1—2/厘米间是布里渊散射。
6，布里渊散射的概念
在光纤中传播的光波，其大部分是前向传播的，但由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构，有一小部分光会发生散射。光纤中的散射过程主要有三种：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，它们的散射机理各不相同。其中，布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，在不同的条件下，布里渊散射又分别以自发散射和受激散射两种形式表现出来。在注入光功率不高的情况下，光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折射率的变化，从而对传输光产生自发散射作用，同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈现周期性，导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移，这种散射称为自发布里渊散射。自发布里渊散射可用量子物理学解释如下：一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子；同样地，一个泵浦光子吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子。因此在自发布里渊散射光谱中，同时存在能量相当的斯托克斯和反斯托克斯两条谱线，其相对于入射光的频移大小与光纤材料声子的特性有直接关系。由于构成光纤的硅材料是一种电致伸缩材料，当大功率的泵浦光在光纤中传播时，其折射率会增加，产生电致伸缩效应，导致大部分传输光被转化为反向传输的散射光，产生受激布里渊散射。具体过程是：当泵浦光在光纤中传播时，其自发布里渊散射光沿泵浦光相反的方向传播，当泵浦光的强度增大时，自发布里渊散射的强度增加，当增大到一定程度时，反向传输的斯托克斯光和泵浦光将发生干涉作用，产生较强的干涉条纹，使光纤局部折射率大大增加。这样由于电致伸缩效应，就会产生一个声波，声波的产生激发出更多的布里渊散射光，激发出来的散射光又加强声波，如此相互作用，产生很强的散射，这就是受激布里渊散射（SBS）。相对于光波而言，声波的能量可忽略，因此在不考虑声波的情况下，这种SBS过程可以概括为频率较高的泵浦光的能量向频率低的斯托克斯光转移的过程。这样受激布里渊散射可以看成仅仅是在有泵浦光存在的情况下在电致伸缩材料中传播的斯托克斯光经历了一个光增益的过程。在受激布里渊散射中，虽然理论上反斯托克斯和斯托克斯光都存在，一般情况下只表现为斯托克斯光。
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