关于受激光散射介绍

[拼音]：shouji guangsanshe

[外文]：stimulated light scattering

入射光很强时，光学媒质所产生的定向的具有相干特征的光散射。光通过媒质会产生各种散射效应。例如由气体中远小于辐射波长的独立粒子散射和非传播熵的涨落引起的瑞利散射；液体中单个分子的转动和振动跃迁以及固体中的光频声子和其他激发产生的喇曼散射，这种散射的频移相当大；由连续媒质中声波场（或声频声子）所产生的布里渊散射等。在入射光强较弱时光散射是自发的、非相干的。然而，当入射激光束的强度超过一定阈值时，如同自发辐射会转变为受激辐射一样，光散射过程也会由自发的转变为受激的。后一过程的特点是其散射光是一种具有明显方向性的相干光。

最常见和应用最广的是受激喇曼散射。设媒质中的分立中心有两个能级，其共振频率为v0，属电偶矩禁戒跃迁。在正常情况下，分立中心处在下能级。此时，当频率为v1的泵浦激光作用于媒质，会自发地产生频率为vs＝v1-v0的散射光。若同时又有与散射光同频率的另一束激光作用于媒质，则该光束会从泵浦光取得能量而获得增益，且增益大小比例于泵浦光的强度。当泵浦光强度增大到能使增益大于媒质本身引起的损耗时，泵浦光强便超过了阈值。这时并不需要有另一束激光的入射，自发的散射光会在一定方向迅速增强并转变为受激的散射光，泵浦光的能量也不断转变为受激散射光的能量。对上述过程来说，散射光频率小于泵浦光频率，故称为斯托克斯受激喇曼散射。如果分立中心原来处于上能级，则类似的过程称为反斯托克斯受激喇曼散射，此时散射光频率为 v1+v0，在过程当中分立能级由上能级跃回到下能级。无疑在通常情况下后一过程是弱得多的。

1961年首先在硝基苯中发现受激喇曼散射，后来在许多液体、固体、气体和原子蒸气中都观察到。随着分立中心的有关能级是分子的振动－转动能级、原子的电子能级、分子的纯转动能级或半导体中由于电子自旋在磁场中取向不同而分裂成的能级，受激喇曼散射有着不同的类型和不同的频移。

受激喇曼散射提供了又一种产生频率可调相干光的现实途径。例如，用这种机理制作成的自旋反转喇曼激光器，通过改变磁场强度，可提供9～14微米及5.2～6.2微米波段的红外频率可调激光，其线宽可小于1千赫。这是目前其他频率可调红外激光源所不能比的。

另一类重要的受激光散射现象是受激布里渊散射。当频率为v1波矢为k1的泵浦光入射于媒质，媒质中的自发超声场会对入射光产生经历了频移的自发布里渊散射。如果又有另一束频率为vs、波矢为ks的激光同时作用于媒质，则由于这两束激光的同时作用，媒质会产生感应的超声场。设感应超声场的频率为v0，波矢为q。在满足能量守恒条件vs-v1＝±v0及动量守恒条件ks-k1＝q时，泵浦光束会被感应超声场所衍射，衍射的方向正好是另一束频率为vs的入射激光的方向。在此情况下，这后一束入射激光便获得了增益，且增益的大小正比于泵浦光的强度。同时，感应超声场也会受到进一步的激励。当泵浦光强增加到能使增益大于媒质自身引起的损耗时，频率为vs，波矢为ks的光束会产生自激。换言之，即使只有泵浦光束，也会在ks的方向产生频率为vs的相干散射光。此时布里渊散射完成了由自发到受激的转变。可以证明，上述能量和动量守恒条件要求

即在与泵浦光束成θ角的方向上，受激布里渊散射发生了大小为上式给出的数值的频移。其中n、υ和 с分别为媒质的折射率、媒质中的声速和真空中的光速。

上图是通常用来同时观察前向及反向 (θ＝180°)受激布里渊散射的实验装置。前向和反向受激散射的频谱均用法布里－珀罗干涉仪来观测。

已在许多固体、液体和高压气体中观察到受激布里渊散射。应当指出，观察受激布里渊或受激喇曼散射所需泵浦光强有时远低于理论估计值，这是因为常常伴随此效应发生了泵浦光束的自聚焦，致使泵浦光强在入射到媒质后大大增加。

除了上述两种类型的受激光散射外，在20世纪60年代后期观察到受激瑞利散射，并可细分为受激瑞利翼散射和受激热瑞利散射。它们和普通瑞利散射相比较，都发生了一定的频移。但相对说来，目前受激瑞利散射并不如受激喇曼散射及受激布里渊散射那样受到人们的注意。

参考书目

1. M.Cardona， ed.， Raman scattering in solids，Springer-Verlag.Berlin，1975.
2. N.Bloembergen，American Journal of Physics，Vol.35，p.989，1967.
3. H.Rabin and C.L.Tang，ed.，Quantum Electronics，ATreatise，Vol.1，Academic Press，New York，1975.