Dispersión de Brillouin

En electromagnetismo , la dispersión de Brillouin (también conocida como dispersión de luz de Brillouin o BLS ), llamada así por Léon Brillouin , se refiere a la interacción de la luz con las ondas materiales en un medio (por ejemplo, electrostricción y magnetostricción ). Está mediada por la dependencia del índice de refracción de las propiedades materiales del medio; como se describe en óptica , el índice de refracción de un material transparente cambia bajo deformación (compresión-distensión o cizallamiento-sesgo ).

El resultado de la interacción entre la onda de luz y la onda de deformación portadora es que una fracción de la onda de luz transmitida cambia su momento (y por lo tanto su frecuencia y energía) en direcciones preferenciales, como por difracción causada por una rejilla de difracción tridimensional oscilante .

Si el medio es un cristal sólido , un condensado de cadena macromolecular o un líquido o gas viscoso , entonces las ondas de deformación de cadena atómica de baja frecuencia dentro del medio de transmisión (no la onda electromagnética transmitida) en el portador (representado como una cuasipartícula ) podrían ser, por ejemplo:

1. modos de oscilación de masa (acústicos) (llamados fonones );
2. modos de desplazamiento de carga (en dieléctricos , llamados polarones );
3. modos de oscilación de espín magnético (en materiales magnéticos, llamados magnones ).

Desde la perspectiva de la física del estado sólido , la dispersión de Brillouin es una interacción entre una onda electromagnética y una de las tres ondas reticulares cristalinas mencionadas anteriormente (por ejemplo, electrostricción y magnetostricción ). La dispersión es inelástica , es decir, el fotón puede perder energía ( proceso de Stokes ) y en el proceso crear uno de los tres tipos de cuasipartículas ( fonón , polaritón , magnón ) o puede ganar energía (proceso anti-Stokes) absorbiendo uno de esos tipos de cuasipartículas. Tal cambio en la energía del fotón, correspondiente a un cambio de Brillouin en la frecuencia, es igual a la energía de la cuasipartícula liberada o absorbida. Por lo tanto, la dispersión de Brillouin se puede utilizar para medir las energías, longitudes de onda y frecuencias de varios tipos de oscilación de la cadena atómica ('cuasipartículas'). Para medir un desplazamiento de Brillouin se utiliza un dispositivo de uso común llamado espectrómetro de Brillouin , cuyo diseño se deriva de un interferómetro Fabry-Pérot . Alternativamente, se pueden utilizar fotodiodos de alta velocidad, como los recuperados de transceptores ópticos Ethernet de 25 gigabits económicos, en combinación con un analizador de espectro de radio o RF definido por software. ^[1]

También se puede considerar que la dispersión de Rayleigh se debe a fluctuaciones en la densidad, la composición y la orientación de las moléculas dentro del medio de transmisión y, por lo tanto, de su índice de refracción, en pequeños volúmenes de materia (particularmente en gases o líquidos). La diferencia es que la dispersión de Rayleigh involucra solo las fluctuaciones térmicas aleatorias e incoherentes, en contraste con las fluctuaciones periódicas correlacionadas (fonones) que causan la dispersión de Brillouin. Además, la dispersión de Rayleigh es elástica en el sentido de que no se pierde ni se gana energía.

La dispersión Raman es otro fenómeno que implica la dispersión inelástica de la luz causada por las propiedades vibratorias de la materia. El rango detectado de cambios de frecuencia y otros efectos son muy diferentes en comparación con la dispersión Brillouin. En la dispersión Raman, los fotones se dispersan por el efecto de las transiciones vibratorias y rotacionales en los enlaces entre átomos vecinos de primer orden, mientras que la dispersión Brillouin resulta de la dispersión de fotones causada por fonones de baja frecuencia y gran escala . Los efectos de los dos fenómenos proporcionan información muy diferente sobre la muestra: la espectroscopia Raman se puede utilizar para determinar la composición química y la estructura molecular del medio de transmisión, mientras que la dispersión Brillouin se puede utilizar para medir las propiedades del material a mayor escala, como su comportamiento elástico. Los cambios de frecuencia de la dispersión de Brillouin, una técnica conocida como espectroscopia de Brillouin , se detectan con un interferómetro , mientras que la dispersión Raman utiliza un interferómetro o un espectrómetro dispersivo ( de rejilla ) .

En el caso de haces de luz intensos (p. ej. , láser ) que viajan en un medio o en una guía de ondas , como una fibra óptica , las variaciones en el campo eléctrico del propio haz pueden inducir vibraciones acústicas en el medio a través de electrostricción o presión de radiación . El haz puede mostrar dispersión de Brillouin como resultado de esas vibraciones, generalmente en la dirección opuesta al haz entrante, un fenómeno conocido como dispersión de Brillouin estimulada (SBS). En el caso de líquidos y gases, los cambios de frecuencia que se crean normalmente son del orden de 1 a 10 GHz, lo que da como resultado cambios de longitud de onda de ~1 a 10 pm en la luz visible . La dispersión de Brillouin estimulada es un efecto por el cual puede tener lugar la conjugación de fase óptica .

La dispersión inelástica de la luz causada por fonones acústicos fue predicha por primera vez por Léon Brillouin en 1914 ^[2] . Se cree que Leonid Mandelstam reconoció la posibilidad de dicha dispersión ya en 1918, pero publicó su idea recién en 1926. ^[3] Para darle crédito a Mandelstam, el efecto también se llama dispersión de Brillouin-Mandelstam (BMS). Otros nombres comúnmente utilizados son dispersión de luz de Brillouin (BLS) y dispersión de luz de Brillouin-Mandelstam (BMLS).

El proceso de dispersión de Brillouin estimulada (SBS) fue observado por primera vez por Chiao et al. en 1964. El aspecto de conjugación de fase óptica del proceso SBS fue descubierto por Boris Yakovlevich Zeldovich et al. en 1972.

La dispersión de Brillouin también se puede emplear para detectar la tensión mecánica y la temperatura en fibras ópticas. ^[4]

• Espectroscopia de Brillouin
• Dispersión
• Dispersión Raman
• Óptica no lineal

• Brillouin, León (1914). "Difusión de la luz por un cuerpo transparente homogéneo". Comptes Rendus de l'Académie des Sciences (en francés). 158 : 1331–4 . Consultado el 28 de septiembre de 2022 .
• Brillouin, León (1922). "Diffusion de la lumière et des rayons X par un corps transparent homogène". Anales de Física . 9 (17). Ciencias EDP: 88–122. Código bibliográfico : 1922AnPh....9...88B. doi : 10.1051/anphys/192209170088. ISSN  0003-4169.
• LI Mandelstam , Zh. Ruso. Fiz-Khim. , Óvulos. 58, 381 (1926).
• Chiao, RY; Townes, CH; Stoicheff, BP (25 de mayo de 1964). "Dispersión estimulada de Brillouin y generación coherente de ondas hipersónicas intensas". Physical Review Letters . 12 (21). American Physical Society (APS): 592–595. Bibcode :1964PhRvL..12..592C. doi :10.1103/physrevlett.12.592. ISSN  0031-9007.
• B.Ya. Zel'dovich, VIPopovichev, VVRagulskii y FSFaisullov, "Relación entre los frentes de onda de la luz reflejada y excitada en la dispersión estimulada de Mandel'shtam Brillouin", Sov. Phys. JETP , 15 , 109 (1972)

• Centro de Integración de Medicina y Tecnología Innovadora CIMIT
• Dispersión de Brillouin en la Enciclopedia de Física y Tecnología Láser
• Dispersión superficial de Brillouin, Estados Unidos de Hawái
• Listado de laboratorios que realizan medidas de dispersión Brillouin (fuente BS Lab en ICMM-CSIC)