Cтраница 2
Основы квантовомеханической теории комбинационного рассеяния света и рассеяния Мандельштама - Бриллюэна в твердом теле были даны Борном и Хуанг Кунем [1-76] и в работах Лоудона [1.73, 1.82, 1 .83], Рассеяние Мандельштама - Бриллюэна, можно феноменологически описать с помощью упруго-оптических постоянных [1.76, 1.84], так как модуляция диэлектрической проницаемости, необходимая для процесса рассеяния, вызывается макроскопическими деформациями, связанными с длинноволновыми акустическими фононами. [16]
В настоящей главе будут обсуждаться следующие аспекты рассеяния Мандельштама - Бриллюэна в полупроводниках: определение скорости звука, ангармонизм, взаимодействие акустических волн со свободными носителями, влияние поглощения света па спектральное распределение рассеянного света, резонансные эффекты вблизи края поглощения, вынужденное рассеяние Мандельштама - Бриллюэна. Особое внимание уделено рассеянию тепловыми фононами, хотя будут также рассмотрены несколько опытов с ультразвуковыми волнами, возбужденными посредством пьезо - или акустоэлектрического эффекта. Вначале будут кратко рассмотрены принципы рассеяния, фотоупругое взаимодействие и некоторые типичные экспериментальные установки. [17]
Здесь будут описаны экспериментальные установки для исследования рассеяния Мандельштама - Бриллюэна тепловыми фононами. Рассеяние света ультразвуковыми волнами, возбуждаемыми акустоэлектрически или пьезоэлектрически, можно легко наблюдать, используя лазеры или другие источники света, и из угловой зависимости можно определять либо скорость звука, либо частоту рассеянного света при условии, что одна из этих величин известна. Особенно простая, по универсальная установка для подобных исследований была разработана Герро-дом и Брейем [6.7] для изучения резонансного рассеяния Мандельштама - Бриллюэна акустоэлектрическими доменами в GaAs. Тепловое рассеяние Мандельштама - Бриллюэна значительно слабее, так Что используются обычно лазеры и интер-ферометрические спектральные приборы. Для наблюдения рассеяния Мандельштама - Бриллюэна в полупроводниках вследствие более сильного фона света несмещенной частоты, обусловленного поверхностью кристалла и дефектами, требуются дополнительные изменения. Два высококонтрастных спектрометра, разработанных для этой цели, представлены на фиг. Постоянная предварительного фильтра подбиралась таким образом, чтобы соседние порядки стоксовой и антистоксовой компонент могли перекрываться, и фильтр настраивался на это перекрывание. Инструментальное и конфигурационное уширение линии рассеянного света было сведено к минимуму посредством использования конфигурации рассеяния назад и одномодового лазера. [18]
Существует несколько моделей различной сложности для объяснения частотной зависимости рассеяния Мандельштама - Бриллюэна. Это приближение применимо, когда частоты падающего и рассеянного света находятся значительно ниже края оптического поглощения в жидкостях и твердых телах. Однако оно дает слишком слабое резонансное возрастание рассеяния вблизи края поглощения, поскольку в Re в доминирующий вклад дают переходы с более высокой энергией, тогда как рассеяние сильно зависит от влияния напряжений на ближайшую энергетическую щель. Кроме того, модель, построенная на основе закона Лорентц - Лоренца, не может описывать эффекты пьезодвулучепреломления или рассеяния света сдвиговыми волнами. [19]
Чтобы обсудить выражение для поляризуемости перехода первого порядка при рассеянии Мандельштама - Бриллюэна, мы должны рассмотреть взаимодействие электронов с акустическими фононами. [20]
Взаимодействие фононов со свободными носителями в полупроводниках исследовалось с помощью рассеяния Мандельштама - Бриллюэна во многих работах. [21]
Кроме того, Гримздич и Рамдас [1.69] измерили отношение поперечного сечения рассеяния Мандельштама - Бриллюэна к поперечному сечению комбинационного рассеяния света в алмазе. Поперечное сечение рассеяния Мандельштама - Бриллюэна можно определять через хорошо известные пьезооптические постоянные. [22]
Квантовомехапическое выражение для поляризуемости перехода при комбинационном рассеянии света и при рассеянии Мандельштама - Бриллюэна первого порядка получается из расчетов по теории возмущений третьего порядка, зависящих от времени, для процессов, представленных на диаграммах фиг. Этот вклад в дальнейшем подробно обсуждается Клейном в гл. [23]
В русском переводе используется терминология, применяемая в советской научной литературе: комбинационное рассеяние для Raman scattering, рассеяние Мандельштама - Брил-люэна для Brillouin scattering. Кардона также отмечает их выдающийся вклад в эту область оптики. [24]
Важное значение в вопросе измерений мощности имеют такие нелинейные эффекты, как эффект вынужденного комбинационного рассеяния и родственное ему явление рассеяния Мандельштама - Бриллюэна. Поскольку твердотельный лазер может работать в многомодовом режиме, в нелинейных процессах возможны большие статистические флуктуации и ни один отдельный лазерный импульс нельзя считать типичным без проверки его воспроизводимости. [25]
В лекции 10 при рассмотрении процессов спонтанного рассеяния света однородной средой были сформулированы условия рассеяния света на флуктуациях плотностнои среды - рассеяния Мандельштама - Бриллкюна. Из предыдущего ясно, что еслп при этом будет выполнено условие синхронизма, аналогичное ( 5), и волны будут связаны через соответствующую нелинейность среды, то возможна перекачка энергии из падающей волны в звуковую волпу н волну рассеянного света. [26]
В общем случае мощность Ps света, рассеянного в пределах телесного угла dQ в частотном интервале dias, связана с коэффициентом рассеяния Мандельштама - Бриллюэна ав и мощностью падающего света Р - соотношением д2Р5 / с. [27]
Уровень пиковой мощности достаточно высок, чтобы вызвать ряд эффектов второго порядка, таких, как, например, излучение вынужденного комбинационного рассеяния и рассеяния Мандельштама - Бриллюэна и Рэлея. Нелинейные оптические явления могут явиться причиной серьезных ошибок, если не анализировать тщательно каждый этап измерений. [28]
Основы квантовомеханической теории комбинационного рассеяния света и рассеяния Мандельштама - Бриллюэна в твердом теле были даны Борном и Хуанг Кунем [1-76] и в работах Лоудона [1.73, 1.82, 1 .83], Рассеяние Мандельштама - Бриллюэна, можно феноменологически описать с помощью упруго-оптических постоянных [1.76, 1.84], так как модуляция диэлектрической проницаемости, необходимая для процесса рассеяния, вызывается макроскопическими деформациями, связанными с длинноволновыми акустическими фононами. [29]
В типичном случае рассеяние Мандельштама - Бриллюэна является дополнительным методом к стандартной ультразвуковой технике, используемой для изучения акустических свойств. Обычно рассеяние Мандельштама - Бриллюэна позволяет исследовать фононы с более высокой частотой, более сильным затуханием; кроме того, могут исследоваться меньшие объемы вещества. Часто бывает удобнее исследовать образец оптическим способом, чем посредством пьезоэлектрических контактов. [30]