İçeriğe atla

Brillouin saçılması

Brillouin saçılması Leon Brillouin'den sonra isimlendirilmiştir. Işığın saydam bir cisimden geçmesiyle birlikte ve maddeyle etkileşime girmesiyle birlikte periyodik uzaysal ve zamansal farklılıkları maddenin yansıtıcı indeksinde oluşturmaktadır. Optikte de belirtildiği gibi, yansımanın indeksi saydam malzemede deformasyonla oluşmaktadır. (Özetleme veya kesme eğiltme)

Işık dalgası ile taşıyıcı deformasyon dalgası arasında oluşan etkileşimin sonucu iletilmiş ışık dalgası değişimi ve momentumunun kesrinin istenilen yönlerde belirtilmesidir. (Frekansı ve enerjisi de bundan etkilenmektedir.) Aynı kırılmanın 3 boyutlu sistemde salınım yapmasından oluşan kırılma buna benzemektedir.

Eğer madde katı kristal ise, makromoleküler zincir ise veya viskoz sıvı ya da gaz ise, düşük frekanslı atomik zincir bozulma dalgaları maddenin içinde taşıyıcılarla iletilmektedirler. (fakat bu iletinler elektromanyetik dalgalar değildirler.) Bunlara şu örnekler verilebilir:

  1. Kütle salınımı (akustik) modu (fonon);
  2. Yük değişimi modu (dielektrikler, polaronlar);
  3. Manyetik spin salınım modu (Manyetik malzemeler, magnonlar).

Mekanizma

Katı hal fiziğinin perspektifinden bakacak olursak Brillouin saçılması elektromanyetik dalgalar ile yukarıda belirtilen üç maddenin herhangi biri arasında oluşan kristal örgü dalgalarıdır. Saçılma inelastik olarak gerçekleşmektedir. Örnek olarak, foton enerjisini kaybedebilmektedir (Stokes süreci) ve üç farklı yalancı parrçacık oluşumu sırasında (fonon, polaron,magnon) enerji kaybedebilmektedir veya anti-Stokes ile enerji kazanabilmektedir. Bu dabu 3 parçacığın birisini soğurarak gerçekleştirilmektedir. Foton enerjisinde oluşan kayma, Brillouin saçılmasında frekanstaki kaymayı ifade eder, bu üç parçacığın bırakılma ya da soğurulma enerjilerinden birisine eşittir. Böylece, Brillouin saçılması enerji ölçümünde kullanılmaktadırlar. Dalgaboyları ve frekans ölçümünde farklı atomik salınım zincir türlerinde kullanılmaktadırlar. Brillouin kaymasını ölçmek amacıyla kullanılan araç genellikle Brillouin spektrometresidir ve dizaynı Fabry-Perot girişimölçerinden esinlenilmiştir.

Rayleigh Saçılımı ile Farklılıkları

Rayleigh saçılımı yoğunlukta oluşan dalgalanmalardan dolayı moleküllerin dizilimi ve yönlendirilmesi ile alakalı iletilen maddede ve bundan dolayı kırılma indeksinde maddenin küçük hacimleriyle (özellikle gazlarda ve sıvılarda) bu şekilde kategorize edilmektedirler. Aralarında fark ise Rayleigh saçılımının sadece sıradan ve alakasız termal dalgalar içermesidir. Eş güdümlülerin aksine periyodik dalgalanmalar Brillouin saçılımının oluşmasına neden olmaktadırlar.

Raman Saçılımı ile Farklılıkları

Raman saçılması ile maddede ışığın inelastik saçılması ile oluşan titreşim özellikleri gösteren bir farklı türde ışıma çeşididir. Belirlenen frekans menzil,i kaymaktadır ve diğer etkiler Brillouin saçılmasıyla kıyaslandıkça daha da farklıdır. Raman saçılmasında, fotonlar titreşimden dolayı saçılmaktadırlar ve bağlar arasında en yakın atomlarla oluşan dönme etkisinden dolayı gözlemlenmektedirler. Brillouin ışıması fotonların geniş skalalarından dolayı sonuçlanırken, düşük frekansları ise fononları oluşturmaktadır. Bu ikisinin oluşturduğu etkiler maddeden çok farklı bilgiler sağlamaktadırlar: Raman spektroskopisi iletilen maddenin kimyasal bileşimini ve moleküler yapısını belirtmektedir. Brillouin saçılma maddenin malzeme özelliğinin geniş skalada ölçümünü sağlamaktadır. - elastik özelliği gibi-. Brillouin saçılmasından kayan frekans, Brillouin Spektroskopisi olarak da bilinen bir tekniktir, girişimölçer ile saptanmaktadır ve buna karşılık Raman saçılması ya girişimölçer ya da dağıtıcı spektrometre kullanmaktadır.

Hareketli Brillouin Saçılması

Işığın yoğun dalgaları (lazer gibi) maddede hareket etmektedir, fiber optik gibi, ışığın elektrik alanının farklıları kendisini akustik titreşimlerle indüklemektedir ve maddenin için elektriksel büzülme ile veya radyasyon basıncı ile bu olaylar gerçekleşmektedirler. Işın Brillouibn saçılımını titreşimlerin birer sonucu olarak gösterebilmektedirler, genellikle gelen ışının tersi yöndedir ve bu hareketli Brillouin saçılımı olarak bilinmektedir (SBS). Sıvılar ve gazlar için ise frekans genel olarak 1-10 Ghz arasında olup 1-10 pm dalga boyuna görünür bölgede kaymaktadırlar. Hareketli Brillouin saçılımı optik faz konjugasyonu olan bir etki olarak gerçekleşmektedir.

Keşfi

Işığın inelastik olarak saçılımı akustik fononlardan dolayı gerçekleşmektedir ve fononlar ilk olarak Leon Brillouin tarafından 1922 yılında gözlemlenmişlerdir. Leonid Mandelstam bu tür saçılmaların olabileceğini 1918 yılında öngörmüştü fakat düşüncelerini 1926 yılında dile getirmişti. Mandelstam'a olan saygıdan ve övgüden doalyı bu etki aynı zamanda Brillouin-Mandelstam saçılımı (BMS) olarak da bilinmektedir. Diğer kullanılan yaygın isimler ise Brillouin ışık saçılımı (BLS), Brillouin-Mandelstam ışık saçılımıdır (BMLS). Hareketli Brillouin saçılımı sürecinde ilk olarak Chiao 1964 yılında gözlemlenmiştir. Optik faz konjugasyonu SBS sürecinin 1972 yılında Zel'dovich tarafından gözlemlenen farklı bir yönüdür.

Fiber Optik Algı

Brillouin saçılması aynı zamanda mekanik gerginliğin ve ısının fiber optiklerde görevlendirilmesidir.

Kaynakça

  • Léon Brillouin, Ann. Phys. (Paris) 17, 88 (1922).
  • L.I. Mandelstam, Zh. Russ. Fiz-Khim., Ova. 58, 381 (1926).
  • R.Y.Chiao, C.H.Townes and B.P.Stoicheff, "Stimulated Brillouin scattering and coherent generation of intense hypersonic waves," Phys. Rev. Lett., 12, 592 (1964)
  • B.Ya. Zel'dovich, V.I.Popovichev, V.V.Ragulskii and F.S.Faisullov, "Connection between the wavefronts of the reflected and exciting light in stimulated Mandel’shtam Brillouin scattering," Sov. Phys. JETP, 15, 109 (1972)

İlgili Araştırma Makaleleri

<span class="mw-page-title-main">Elektromanyetik radyasyon</span>

Elektromanyetik radyasyon, elektromanyetik ışınım, elektromanyetik dalga ya da elektromıknatıssal ışın bir vakum veya maddede kendi kendine yayılan dalgalar formunu alan bir olgudur. Elektromanyetik dalgalar, yüklü bir parçacığın ivmeli hareketi sonucu oluşan, birbirine dik elektrik ve manyetik alan bileşeni bulunan ve bu iki alanın oluşturduğu düzleme dik doğrultuda yayılan, yayılmaları için ortam gerekmeyen, boşlukta c ile yayılan enine dalgalardır. Elektromanyetik dalgalar, frekansına göre değişik tiplerde sınıflandırılmıştır. Bu tipler sırasıyla :

<span class="mw-page-title-main">Işık</span> elektromanyetik spektrumun insan gözü tarafından algılanabilen kısmı içindeki elektromanyetik radyasyon

Işık veya görünür ışık, elektromanyetik spektrumun insan gözü tarafından algılanabilen kısmı içindeki elektromanyetik radyasyon. Görünür ışık genellikle 400-700 nanometre (nm) aralığında ya da kızılötesi ve morötesi arasında 4.00 × 10−7 ile 7.00 × 10−7 m dalga boyları olarak tanımlanır. Bu dalga boyu yaklaşık 430-750 terahertz (THz) frekans aralığı anlamına gelir.

<span class="mw-page-title-main">Mazer</span>

Mazer ya da maser, atomların, dışarıdan uyarılması neticesinde dışarıya salınan radyasyon yardımı ile elde edilen, genliği yükseltilmiş elektromanyetik dalga. Mazer, önceleri ilk mazerin mikrodalga frekansında çalışması sebebiyle İngilizce cümlesindeki kelimelerin baş harflerinin alınmasından türetilmiştir. Bugünse işitme frekansından itibaren, görünen ve morötesi frekanslı elektromanyetik bölgelerde dahi aynı prensip tatbik edildiğinden mazer, Molecular amplification by Stimulated Emission of Radiation olarak tarif edilmektedir. Mazer, uyarılmış radyasyon yayılımıyla mikrodalga veya moleküler dalga kuvvetlendirilmesi demektir. Cihaz, hassas olarak tayin edilmiş frekansta mikrodalga osilasyonları (titreşimleri) ve düşük gürültü seviyeli amplifikasyon (kuvvetlendirme) elde etmeyi sağlar. Bu maksatla atomların ve moleküllerin iç enerjisinden faydalanan bir amplifikatör ve osilatör grubu kullanılır. Aletin çalışmasının temel prensibi olan uyarılmış emisyon, uyarılmış haldeki bir atoma, dışarıdan eşit enerjili bir fotonun çarpması sonucu atomun aynı özellikli bir foton yayması şeklinde meydana gelir. Böylece atoma çarpan foton veya dalgalar çarptıkları uyarılmış atomlar tarafından yayılan fotonlarla kuvvetlenir. Bir mazer, gaz veya katı halde aktif bir ortamdan ibarettir. Sistem çeşitli frekanslar halinde elektromanyetik bir radyasyona maruz bırakılır. İçerideki atomların çoğu bu tesirle yüksek enerjili (uyarılmış) hale gelir. Böylece uyarılmış bir frekans meydana gelir. Aktif ortam, rezonans sağlayan bir boşlukla çevrili olduğundan, tek bir çıkış frekansına eşdeğer osilasyon modlu paralel dalgalar meydana gelir. Çok fazla çeşitli, koherent ve tek renk ışık elde etmek amacıyla oluşturulan optik düzenekler mazerdir. Bunların optik frekanslarda çalışanlarına optik mazer veya lazer adı verilir. Birkaç milimetreden daha uzun dalga boyları için rezonatör olarak metal bir kutu kullanılır.Bu kutunun boyutu titreşim modlarından yalnızca biri atomların yaymış oldukları ışınımların frekanslarıyla çalışacak biçimde belirlenir, kutuda yalnızca bir ses frekansında rezonansa uğramış gibi belirli bir mikro dalga frekansında rezonansa gelir.

<span class="mw-page-title-main">Rayleigh saçılması</span>

Rayleigh saçılımı, ışığın veya diğer elektromanyetik radyasyonun, ışığın dalga boyundan daha küçük tanecikler tarafından saçılımını ifade eder. Bu isim, İngiliz fizikçi Lord Rayleigh'ın adına ithafen verilmiştir.

<span class="mw-page-title-main">Spektroskopi</span>

Spektroskopi elektromanyetik radyasyon ile maddenin etkileşiminin radyasyonun dalga boyu veya frekansının bir fonksiyonu olarak ortaya çıkan elektromanyetik spektrumu (tayf) ölçen ve yorumlayan bir çalışma alanıdır. Başka bir deyişle, elektromanyetik spektrumun tüm bantlarında görünür ışıktan kaynaklı olarak meydana gelen bir kesin renk çalışmasıdır.

<span class="mw-page-title-main">X ışını</span> Elektromanyetik radyasyon

X ışınları veya Röntgen ışınları, 0,125 ile 125 keV enerji aralığında veya buna karşılık, dalgaboyu 10 ile 0,01 nm aralığında olan elektromanyetik dalgalar veya foton demetidir. 30 ile 30.000 PHz (1015 hertz) aralığındaki titreşim sayısı aralığına eşdeğerdir. X ışınları özellikle tıpta tanısal amaçlarla kullanılmaktadırlar. İyonlaştırıcı radyasyon sınıfına dahil olduklarından zararlı olabilirler. X ışınları 1895'te Wilhelm Conrad Röntgen tarafından Crookes tüpü (Hittorf veya Lenard tüpleri ile de) ile yaptığı deneyler sonucunda keşfedilmiştir. Klasik fizik sınırları içinde, X-ışınları aynı görünür ışık gibi bir elektromanyetik dalga olup, görünür ışıktan farkı düşük dalga boyu, dolayısıyla yüksek frekansları ve enerjileridir. Morötesi'nin ötesidir. X Işınlarının ötesi ise Gama ışınları'dır.

<span class="mw-page-title-main">Polarizasyon</span>

Polarizasyon dalganın hareket yönüne dik gelen düzlemdeki salınımların yönünü tanımlayan yansıyan dalgaların bir özelliğidir. Bu kavram dalga yayılımı ile ilgilenen optik, deprembilim ve uziletişim gibi bilim ve teknoloji sahalarında kullanılmaktadır. Elektrodinamikte polarizasyon, ışık gibi elektromanyetik dalgaların elektrik alanının yönünü belirten özelliğini ifade eder. Sıvılarda ve gazlarda ses dalgaları gibi boyuna dalgalar polarizasyon özelliği göstermez çünkü bu dalgaların salınım yönü uzunlamasınadır yani yönü dalganın hareketinin yönü tarafından belirlenmektedir. Tersine elektromanyetik dalgalarda salınımın yönü sadece yayılımın yönü ile belirlenmemektedir. Benzer şekilde katı bir maddede yansıyan ses dalgasında paralel stres yayılım yönüne dik gelen bir düzlemde her türlü yönlendirmeye tabi olabilir.

Spektrumun kızılötesi bölgesi, ışının 12800 ile 10 cm-1 dalga sayılı kısmını kapsar. Hem cihaz hem de uygulama açısından infrared spektrumu; yakın, orta ve uzak infrared ışınları olmak üzere üç bölgeye ayrılır. Titreşimsel spektroskopi spektrumun infrared bölgesinde oluşan moleküler titreşime bağlı olarak ışığın absorplanması ya da saçılmasını inceler. Bu incelemelerin en önemli uygulama alanları endüstriyel, zirai maddeler ve proses kontrolündeki kantitatif ve kalitatif analizlerdir. Işığın frekansı ; elektronların, rezonans frekansı civarında salınımlarına sebep olacak bir frekans değerinde olduğu vakit, genlik öylesine büyüktür ki, ortamın atomları birbirleriyle çarpışırlar ve ışık enerjisinin çoğu iç enerji halini alır ve böylece ortam tarafından emilir. Farklı maddelerin elektronları farklı rezonans frekanslarındadır. Bu ise saydam bir cisimden ya da ortamdan geçen görünür ışığı neden görebildiğinizi ve güneş yanıklarına sebep olan ultraviyole frekansların saydam bir cisimden neden geçemediklerini açıklar. bunun sonucunda, kapalı bir havada camdan bakarken güneş yanığınız olmadığı halde, açık havaya çıktığınızda güneş yanığı riskiyle karşı karşıya kalabilirsiniz.

Raman saçılması, lineer optik süreçte, elastik olmayan foton saçılmalarından biridir. Aydınlatma kaynağından gelen fotonların büyük çoğunluğu atom ya da molekülden elastik bir şekilde saçılır. Buna Rayleigh saçılımı denir. Ancak bazıları uyarılmış bir şekilde saçılırlar. Bu tür saçılmada yayımlanan fotonların frekansları elastik saçılmada olduğundan genelde daha düşüktür ve algılanabilmeleri için çok özel dedektörler gerekir.

Absorpsiyon spektroskopisi, radyasyonun dalga boyu ya da frekansın bir fonksiyonu olarak irdelenmesidir. Absorpsiyon teorisine göre örnek madde ortamdan enerji absorbe eder. Emilen enerjinin şiddeti, frekansın ve dalga boyunun bir fonksiyonu olarak ifade edilmiştir.

<span class="mw-page-title-main">Tyndall etkisi</span>

Tyndall efekti, ışığın kolloid içindeki parçacıklardan ya da aerosollerdeki, süspansiyonlardaki ve emülsiyonlardaki küçük parçacıklardan saçılmasıdır. Adını 19. yüzyıl fizikçisi olan John Tyndall'dan alır. Dağılan ışık yoğunluğunun frekansın dördüncü kuvvetine bağlı olması ile Rayleigh dağılımına benzer. Bu yüzden mavi ışık kırmızı ışığa göre daha güçlü bir şekilde saçılıma uğrar. Günlük hayattan bir örnek, yanan motor yağının parçacıkları oluşturduğu motosikletlerden çıkan dumanın mavi renkte görülmesidir ayrıca CD'ler ya da sabun köpüklerinin ışığı kırıp renkli görülmesinin sebebi yine Tyndall efektidir.

<span class="mw-page-title-main">Fonon</span>

Fonon, bir kristal örgüsünde bulunan atomların ortak titreşimlerinin nicesidir. Fiziksel olarak bir parçacık olmadığı için genellikle parçacığımsı olarak adlandırılır. Optik ve akustik fonon olmak üzere iki çeşidi bulunur. Optik fononların enerjileri daha yüksektir ve fotonla çiftleşmeleri daha kolay olur. Akustik fononlar ise daha düşük enerjilidir.

<span class="mw-page-title-main">İyonlaştırıcı olmayan radyasyon</span> Düşük frekanslı radyasyon

İyonlaştırıcı olmayan radyasyon, bir atomdan veya molekülden bir elektronu tamamen koparabilmek için atomları veya molekülleri iyonlaştırabilecek yeterli enerji taşıyan kuantumlara sahip olmayan herhangi bir elektromanyetik radyasyon türüdür. Elektromanyetik radyasyon, maddenin içinden geçerken yüklü iyonlar üretmez. Yalnızca, bir elektronu daha yüksek enerji seviyesine çıkaran uyarım için yeterli enerjiye sahiptir. İyonlaştırıcı olmayan radyasyondan daha yüksek bir frekansa ve daha kısa dalga boyuna sahip olan iyonlaştırıcı radyasyon birçok kullanım alanına sahiptir, ancak sağlık için bir tehdit olabilir. İyonlaştırıcı radyasyona maruz kalmak yanıklara, radyasyon hastalıklarına, kansere ve genetik hastalıklara sebep olabilir. İyonlaştırıcı radyasyon kullanmak, iyonlaştırıcı olmayan radyasyon kullanılırken genelde gerekli olmayan dikkatli ve özenle alınmış radyolojik korunma önlemleri gerektirir.

<span class="mw-page-title-main">Optik lif</span>

Optik lif(optical fiber) veya bilinen diğer adıyla ışıklifi(fiberoptic), yüksek kaliteli püskürtülmüş cam veya plastikten yapılmış olan esnek ve şeffaf bir lifdir. Kabaca insan saçından daha kalındır. Işığı lifin iki ucuna iletmek için bir ışık kılavuzluğu veya ışık borusu görevini görür. Işıkliflerin dizayn ve uygulaması ile ilgilenen uygulamalı bilim ve mühendislik dalı “fiber optik” olarak bilinir. Optik lifler, iletişimin diğer formlarına göre iletimin daha uzun mesafelerde ve daha geniş bant genişliği ile olmasına imkân veren “ışıklifi iletişim” alanında yaygın olarak kullanılır. Liflerin metal kablolar yerine kullanılmasının nedeni sinyallerin lifler üzerinde daha az kayıpla ilerlemesi ve aynı zamanda elektromanyetik engellerden etkilenmemesidir. Lifler aynı zamanda ışıklandırma için de kullanılır ve yığınlar halinde sarılır. Bu şekilde sınırlı alanlarda görüntülemeye imkân verecek şekilde görüntü taşımak için kullanılabilirler. Işıklifleri özel tasarlanmış lifli sensörler ve lifli lazerler dâhil, birçok değişik uygulama içinde de kullanılırlar.

Yavaş ışık, çok düşük grup hızlarında oluşan optiksel titreşimin ya da optiksel taşıyıcının geçişinin yayılımı. Yayılma meydana gelirken yayılım titreşimi boşlukla etkileşimde bulunduğundan büyük ölçüde yavaşlar ve yavaş ışık bu sayede oluşmuş olur.

<span class="mw-page-title-main">Grigori Landsberg</span> Sovyet fizikçi

Grigori Samuiloviç Landsberg, Sovyet fizikçi. Grigori S. Landsberg şu an raman saçılmasında kullanılan esnek olmayan tümleşik foton saçılımının eş-kâşifidir. Asıl bilimsel katkıları optik ve spektroskopi alanlarındaydı.

Leonid Isaakovich Mandelstam or Mandelshtam Belarus-Yahudi kökenli Sovyet bir fizikçidir. 

<span class="mw-page-title-main">Optik saydamlık ve yarı saydamlık</span>

Fiziğin optik alanında, geçirgenlik ışığın bir materyal üzerinden dağılmadan geçebilmesine olanak sağlayan fiziksel bir özelliktir. Makroskopik (büyük) ölçeklerde, fotonların Snell kanununa göre hareket ettikleri söylenebilir. Yarı saydamlık, geçirgenliğin içinde bulunan bir üst kümedir ve ışığın geçmesine izin verir ancak Snell kanununu takip etmek zorunda değildir. Fotonlar, kırınım işaretleri içinde herhangi bir değişim meydana geldiğinde her iki arayüzde de dağınım gösterebilirler. Diğer bir deyişle, yarı saydam bir ortam ışığın ulaşım yapmasına olanak sağlarken saydam olan bir ortam sadece ışığın geçişini onaylamakla kalmaz aynı zamanda görüntü oluşumuna da izin verir. Yarı saydamlığın karşıtı olan kavram opaklıktır. Saydam yani geçirgen olan maddeler oldukça net görülen, tamamının tek bir renge sahip olduğu ya da her rengi içeren bir spekturumu meydana getiren herhangi bir kombinasyona sahip olabilir.

<span class="mw-page-title-main">Doğrusal olmayan optik</span>

Doğrusal olmayan optik ya da nonlineer optik, ışığın doğrusal olmayan sistem ve malzemelerdeki davranışı ile özelliklerini inceleyen optiğin bir alt dalıdır. Bu malzemelerde elektrik alan () ile polarizasyon yoğunluğu () arasındaki ilişki doğrusal değildir; bu durum daha çok yüksek genlikte (108 V/m seviyelerinde) ışık veren lazerlerde ve lityum niobat gibi kristal yapılarında görülür. Schwinger sınırından daha kuvvetli alanlarda vakum da doğrusallığını kaybeder. Süperpozisyon prensibi bu malzemeler için geçerli değildir.

<span class="mw-page-title-main">Raman spektroskopisi</span>

Raman spektroskopisi, moleküler titreşimleri ölçmek için kullanılan bir spektroskopi yöntemidir. Bu yöntem, moleküllerin "yapısal parmakizlerini" tanımlamak için çokça kimya laboratuvarlarında kullanılır. Adını Hint fizikçi Chandrasekhara Venkata Raman'dan alır.