פיזור ברילואן

פיזור ברילואן, קרוי על שם לאון ברילואן, הוא שם כללי לתיאור אינטראקציה בין גלי אור לגלי קול. נהוג להפריד בין פיזור ברילואן ספונטני, בו אין השפעה על גל הקול כתוצאה מגל האור, לבין פיזור ברילואן מאולץ (או בקיצור SBS: ראשי תיבות של Stimulated Brillouin Scattering) בו גלי האור יכולים לחזק/להחליש את גל הקול. בפיזור ברילואן מאולץ, גלי האור המתפזרים משפיעים על חוזק גלי הקול אשר מצידם משפיעים על עוצמת גלי האור המתפזרים, תופעה חשובה באופטיקה לא ליניארית.

התוצאה של האינטראקציה בין גלי האור לבין החומר היא שחלק מהאור משנה את כיוונו ולרוב גם את התדר שלו.

פיזור ברילואן ספונטני

כאשר אור נע מאזור עם מקדם שבירה נמוך לגבוה או ההפך, חלק מהעוצמה מוחזרת. לדוגמה, עבור שינוי לא רציף במקדם השבירה (לדוגמה, כשאור מגיע מאוויר לחלון זכוכית או למים) כמות ההחזרה ניתנת לתיאור על ידי חוקי פרנל. לרוב, כאשר מגדילים צפיפות של חומר מסוים מקדם השבירה שלו גדל. באופן כמותי, קשר זה בין גלי קול לשינוי צפיפות בחומר ולשינוי מקדם שבירה ניתן לביטוי בנוסחה:

$\Delta \varepsilon =\Delta (n^{2})=\gamma _{e}{\frac {\Delta \rho }{\rho _{0}}}$

כאשר $\Delta \varepsilon$ המקדם הדיאלקטרי של החומר, $\rho _{0}$ הצפיפות של החומר, $\Delta \rho$ השינויים בצפיפות כתוצאה מגל הקול, ו-$\gamma _{e}$ נקרא מקדם האלקטרוסטריקציה (electrostriction) של החומר.

כאשר אור עובר בתווך בו נע גל קול, מכל חלק שבו מקדם השבירה משתנה חלק מהאור יכול לחוות החזרה, ועבור אורכי גל ספציפיים, ההחזרות יכולות לעבור התאבכות בונה. על ידי שליטה בחוזק גל הקול ניתן להשפיע על עוצמת האור המתפזר, דבר המשמש במאפננים אקוסטו-אופטיים. כמו כן, משום שתהליך הפיזור הזה קורה במערכת שנעה, אפקט דופלר מסחי את תדר האור המפוזר. אם התדר של גל האור היה $\omega$ ותדר גל הקול היה $\Omega$, האור המתפזר יכול להיות בתדר $\omega -\Omega$ ("הסחת סטוקס") או בתדר $\omega +\Omega$ ("הסחת אנטי-סטוקס"). משום שהתדרים האקוסטיים נמוכים ב-5 סדרי גודל לפחות מהתדר אופטי, ההסחה הזו אינה משמעותית לרוב היישומים.

פיזור ברילואן מאולץ

כאשר דיפול חווה גרדיאנט בשדה החשמלי, פועל עליו כוח נטו. משמעות עובדה זו היא שכאשר קיים גרדיאנט עוצמה בחומר, הדיפולים שמרכיבים את החומר מרגישים כוח שיכול לשנות את הלחץ בחומר. כמו כן, כאשר בחומר קיימים שני גלי אור בתדרים מאוד קרובים $\omega$ ו- $\omega -\Omega$ (כאשר $\Omega \ll \omega$) הקרבה בתדר יכולה לגרום לפעימות, כלומר נוצר גרדיאנט מרחבי בשדה החשמלי שמשתנה בזמן בצורה מחזורית. דבר זה גורם לשינויי צפיפות בחומר בצורה מחזורית, דבר היוצר גל קול. בהמשך, גל קול זה יכול לגרום לאנרגיה לעבור מהאור בתדר האחד לאור בתדר השני על ידי אותו תהליך שתואר בפיזור ברילואן ספונטני. תופעה זו יכולה לחזק עוד יותר גל הקול, וכך במשוב חיובי לגרום לכל האור לעבור הסחת כיוון ותדר.

ההבדל בין פיזור ברילואן לפיזור ריילי

פיזור ריילי יכול להיחשב גם כנגרם משינויים בצפיפות, הרכב וסידור של המולקולות וכתוצאה מכך של מקדם השבירה, בנפחים קטנים (במיוחד בגזים ונוזלים). ההבדל הוא שפיזור ריילי נחשב כאקראי וללא תלות בשינויים תרמיים, בניגוד לפיזור ברילואן שהוא הפרעה מחזורית.

ראו גם

• אופטיקה לא ליניארית

לקריאה נוספת

• Robert W. Boyd, Nonlinear optics, Second edition, Academic press, (2003)

קישורים חיצוניים

Brillouin scattering in the Encyclopedia of Laser Physics and Technology

מדיה וקבצים בנושא פיזור ברילואן בוויקישיתוף

ערך זה הוא קצרמר בנושא פיזיקה. אתם מוזמנים לתרום לוויקיפדיה ולהרחיב אותו.