브릴루앵 산란

전자기학에서 브릴루앵 산란(영어: Brillouin scattering, 브릴루앵 광산란(Brillouin light scattering) 또는 BLS라고도 함)은 레옹 브릴루앵의 이름을 따서 명명되었으며, 빛과 매질의 물질파(예: 전기변형 및 자기변형) 간의 상호작용을 의미한다. 이는 매질의 물질 특성에 대한 굴절률 의존성에 의해 매개된다. 광학에서 설명하는 바와 같이, 투명한 물질의 굴절률은 변형(압축-팽창 또는 층밀림)에 따라 변한다.

빛 파동과 매개 변형 파동 간의 상호작용의 결과, 전달된 빛 파동의 일부가 진동하는 3차원 회절격자에 의해 발생하는 회절처럼 특정 방향으로 운동량(따라서 주파수와 에너지)을 변화시킨다.

매질이 고체 결정, 거대 분자 사슬 응축물 또는 점성 액체 또는 기체인 경우, 매질 내의 저주파 원자 사슬 변형 파동(전달된 전자기파가 아님)은 (준입자로 표현되는) 매질 내에서 예를 들어 다음과 같을 수 있다.

1. 질량 진동 (음향) 모드 (포논이라고 함);
2. 전하 변위 모드 (유전체에서 폴라론이라고 함);
3. 자기 스핀 진동 모드 (자기 물질에서 마그논이라고 함).

메커니즘

고체물리학의 관점에서 볼 때, 브릴루앵 산란은 전자기파와 위에서 언급된 세 가지 결정 격자파 중 하나(예: 전기변형 및 자기변형) 사이의 상호작용이다. 이 산란은 비탄성 산란이다. 즉, 광자는 에너지를 잃고(스토크스 과정) 그 과정에서 세 가지 준입자 유형(포논, 폴라리톤, 마그논) 중 하나를 생성하거나, 해당 준입자 유형 중 하나를 흡수하여 에너지를 얻을 수 있다(반-스토크스 과정). 광자 에너지의 이러한 변화는 브릴루앵 주파수 변화에 해당하며, 방출되거나 흡수된 준입자의 에너지와 같다. 따라서 브릴루앵 산란은 다양한 원자 사슬 진동 유형('준입자')의 에너지, 파장 및 주파수를 측정하는 데 사용될 수 있다. 브릴루앵 변화를 측정하기 위해 일반적으로 사용되는 장치인 브릴루앵 분광기는 파브리-페로 간섭계에서 파생된 설계로 사용된다. 또는 저렴한 25기가비트 이더넷 광 트랜시버에서 회수된 것과 같은 고속 포토다이오드를 소프트웨어 정의 라디오 또는 RF 스펙트럼 분석기와 함께 사용할 수 있다.^[1]

레일리 산란과의 대비

레일리 산란 또한 전달 매질 내 분자의 밀도, 구성 및 방향의 변동, 따라서 작은 부피의 물질(특히 기체 또는 액체)의 굴절률 변동 때문으로 간주될 수 있다. 차이점은 레일리 산란이 무작위적이고 비간섭성 열 변동만을 포함하는 반면, 브릴루앵 산란을 유발하는 상관된 주기적 변동(포논)과는 대조적이라는 점이다. 더욱이 레일리 산란은 에너지가 손실되거나 얻어지지 않는다는 점에서 탄성이다.

라만 산란과의 대비

라만 산란은 물질의 진동 특성에 의해 발생하는 비탄성 광산란을 포함하는 또 다른 현상이다. 감지되는 주파수 변화 범위 및 기타 효과는 브릴루앵 산란과 매우 다르다. 라만 산란에서는 광자가 1차 인접 원자 간의 결합에서 진동 및 회전 전이 효과에 의해 산란되는 반면, 브릴루앵 산란은 대규모, 저주파 포논에 의해 발생하는 광자의 산란에서 비롯된다. 두 현상의 효과는 샘플에 대해 매우 다른 정보를 제공한다. 라만 분광법은 전달 매질의 화학적 조성 및 분자 구조를 결정하는 데 사용될 수 있는 반면, 브릴루앵 산란은 재료의 탄성 거동과 같은 더 큰 규모의 특성을 측정하는 데 사용될 수 있다. 브릴루앵 분광학이라고 알려진 기법인 브릴루앵 산란의 주파수 변화는 간섭계로 감지되는 반면, 라만 산란은 간섭계 또는 분산형(회절격자) 분광기를 사용한다.

유도 브릴루앵 산란

광섬유와 같이 매질이나 도파관을 통과하는 강한 빛 광선(레이저 등)의 경우, 광선 자체의 전기장 변화가 전기변형 또는 복사압을 통해 매질에서 음향 진동을 유발할 수 있다. 이 광선은 이러한 진동의 결과로 브릴루앵 산란을 보일 수 있으며, 일반적으로 입사 광선과 반대 방향으로 발생한다. 이를 유도 브릴루앵 산란(SBS)이라고 한다. 액체 및 기체의 경우, 일반적으로 생성되는 주파수 변화는 1-10 GHz 정도이며, 가시광선에서 ~1-10 pm의 파장 변화를 초래한다. 유도 브릴루앵 산란은 광 위상 공액이 발생할 수 있는 하나의 효과이다.

발견

음향 포논에 의한 빛의 비탄성 산란은 1914년 레옹 브릴루앵에 의해 처음 예측되었다 ^[2] . 레오니트 만델시탐은 1918년 일찍이 이러한 산란의 가능성을 인식했지만, 1926년에야 자신의 아이디어를 발표한 것으로 알려져 있다.^[3] 만델시탐의 공로를 인정하기 위해 이 효과는 브릴루앵-만델시탐 산란(BMS)이라고도 불린다. 다른 일반적으로 사용되는 이름으로는 브릴루앵 광산란(BLS) 및 브릴루앵-만델시탐 광산란(BMLS)이 있다.

유도 브릴루앵 산란(SBS) 과정은 1964년 차오 외 연구진에 의해 처음 관찰되었다. SBS 과정의 광 위상 공액 측면은 1972년 보리스 야코블레비치 젤도비치 외 연구진에 의해 발견되었다.

광섬유 감지

브릴루앵 산란은 광섬유의 기계적 변형 및 온도를 감지하는 데도 사용될 수 있다.^[4]

같이 보기

• 브릴루앵 분광학
• 산란
• 라만 산란
• 비선형 광학