Явление Мандельштама — Бриллюэна

Явление рассеяния Мандельштама — Бриллюэна представляет собой, дискретное изменение частоты монохроматического света в твердых телах и жидкостях при взаимодействии световой волны с упругими колебаниями среды (рассеяние на флуктуациях плотности). Рассеяние Мандельштама — Бриллюэна приводит к появлению нескольких новых спектральных линий, расположенных симметрично относительно исходной линии и отличающихся от нее на частоту упругих колебаний среды. Предсказано независимо Л. И. Мандельштамом (1918) и Л. Бриллюэном (1922); впервые обнаружено экспериментально Е. Ф. Гроссом в 1930. ВРМБ  было открыто на опыте в 1964 г.  Таунсом и Стойчевым. Они обнаружили, что мощное лазерное излу­чение частоты  вызывает в кристалле появление когерентной упругой волны частоты и с одновременным испусканием света на частоте (Явление наблюдается лишь тогда, когда мощность лазерного излучения превышает некоторое пороговое значение.)

С точки зрения классической электромагнитной теории ВРМБ можно рассматривать как процесс параметрического усиления упругой волны  и холостой электромагнитной волны за счет энергии мощной электромагнитной волны накачки. Поясним это. При больших значениях напря­женности электрического поля световой волны становится сущест­венным не только влияние создаваемых упругой волной оптических неоднородностей на распространение света, но и влияние света на оптические параметры среды. Такое влияние обусловлено, в частно­сти, явлением электрострикции: в электрическом поле в диэлектрике возникает дополнительное давление, пропорциональное квадрату напряженности электрического поля.

При ограниченных размерах нелиней­ной среды и поперечного сечения светового пучка накачки наиболее интересен случай рассеяния назад, когда усиливаемые упругая и световая волны распростра­няются навстречу и каждая из них обеспечивает положительную обратную связь для процесса параметрического усиления другой. Если когерентный падающий пучок пространственно неоднороден, т. е. его интенсивность не постоянна по поперечному сечению, то при ВРМБ происходит интереснейшее явление обращения вол­нового фронта, не имеющее аналога в классической оптике. Схема эксперимента по его наблюдению приведена на рисунке 8.9.1. Волновой фронт интенсивного лазерного пучка, имеющего высокую направ­ленность, существенно искажается поставленной на его пути фазо­вой пластинкой Л со случайными неоднородностями. Расходимость пучка возрастает при этом в десятки раз. Затем линза Л с большой апертурой, достаточной для того, чтобы перехватить весь расширен­ный пучок, направляет свет в кювету К, заполненную сероуглеро­дом или метаном при высоком давлении. Небольшая часть лазер­ного пучка отражается плоскопараллельной пластинкой, и его угло­вое распределение в дальней зоне регистрируется измерительной системой C1. Аналогичная система С2 регистрирует рассеянный назад свет, также прошедший через линзу Л и фазовую матовую пластинку П.

Эксперименты показали, что первоначально широкий пучок рас­сеянного света после прохождения через те же оптические эле­менты в обратной последовательности становится столь же направленным, как и в первоначальный лазерный пучок. Так происходит потому, что волновой фронт излучения, рассеянного назад в нели­нейной среде, в точности воспроизводит сколь угодно сложную структуру волнового фронта падающей волны, отличаясь лишь про­тивоположным направлением распространения (небольшое умень­шение частоты можно не принимать во внимание, так как его отно­сительная величина  имеет порядок отношения скорости звука к скорости света. По выражению академика Р. В. Хохлова, «кювету с рассеивающим веществом можно рассмат­ривать как волшебное зеркало, изменяющее знак времени».

Эффект обращения волнового фронта, как и голография, уточ­няет наши представления о необратимых и обратимых оптических явлениях. Информация о первоначальной структуре когерентного светового пучка не теряется при его прохождении через непоглощающую матовую пластинку. Механизм вынужденного рассеяния обращает искаженный волновой фронт с сохранением этой инфор­мации. При прохождении в обратном направлении через ту же пластинку все внесенные ею искажения волнового фронта полно­стью компенсируются и пучок восстанавливает свою структуру, т. е. возвращается в исходное состояние, но обращенное во вре­мени. Конечно, абсолютная обратимость здесь все же не достига­ется как в отношении мощности, так и в отношении частоты, кото­рая получает небольшой сдвиг из-за затраты энергии на возбуж­дение упругих волн в нелинейной среде.