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Lexikon der Optik: Brillouin-Streuung

Brillouin-Streuung, Streuung von Licht an akustischen Phononen (Schallwellen) in Flüssigkeiten oder Festkörpern. Sie ist der Raman-Streuung ähnlich, der Unterschied besteht nur darin, daß bei letzterer eine Wechselwirkung des Lichtes mit Molekülschwingungen oder -rotationen (in Festkörpern mit optischen Gitterschwingungen) stattfindet. Die Ausbreitungsvektoren des einfallenden (k) und gestreuten Lichtes (k') sowie der an der B. beteiligten akustischen Welle (kW) müssen die Phasenanpassungsbedingung


(1)

erfüllen. Des weiteren muß aus Energieerhaltungsgründen für die Frequenzen ν, ν', νW; der beteiligten Wellen gelten


. (2)

Die Bedingungen (1) und (2) lassen sich für jede Richtung von k' befriedigen. B. findet daher nach allen Seiten statt. Gemäß (2) wird dabei die Lichtfrequenz von ν auf den Wert ν' = ν – νW verringert. Diese Frequenzverschiebung ist proportional zu sin (Ω/2), wobei Ω den Streuwinkel (Lichtstreuung) bezeichnet. Sie ist daher maximal im Falle der Rückwärtsstreuung (Ω = π), während in Vorwärtsrichtung keine Streuung zu beobachten ist. Ihre relative Größe ist wegen der im Vergleich zur Lichtgeschwindigkeit sehr kleinen Schallgeschwindigkeit im Gegensatz zu der Frequenzverschiebung bei der Raman-Streuung sehr gering, sie beträgt etwa 10-5. Bei der bisher betrachteten Stokesschen B. werden Schallwellen angeregt. Andererseits kann aber auch eine Anti-Stokessche B. an bereits vorhandenen (thermisch angeregten) Schallwellen erfolgen. Letztere geben dabei Energie an das Strahlungsfeld ab, so daß sich die Frequenz des einfallenden Lichtes um den Betrag νW erhöht. Das Spektrum der Streustrahlung zeigt daher im Falle eines bezüglich der Schallausbreitung isotropen Mediums neben einer unverschobenen Linie sowohl eine Stokessche als auch eine Anti-Stokessche Linie. In anisotropen Medien, z.B. Kristallen, treten im allgemeinen drei entsprechende Linienpaare auf, deren Frequenz außer vom Streuwinkel noch von der Orientierung des Kristalles in bezug auf die Einstrahlungsrichtung abhängt. Die Linienbreite der Brillouin-Linien hängt von der Lebensdauer der Schallwellen ab.

Das Auftreten einer unverschobenen Linie ist bei Kristallen meist auf eine Rayleigh-Streuung an Verunreinigungen oder Kristallfehlern zurückzuführen. Hinzu kommt noch ein geringer Beitrag, der durch die Dichteschwankungen infolge der thermischen Bewegung der Gitterbausteine bedingt ist. Aus der Intensität der unverschobenen Linie im Vergleich zu den Intensitäten der verschobenen Linien kann somit auf den Grad der Verunreinigung geschlossen werden. Eine wichtige Anwendung findet die B. daher bei der Reinheitsprüfung von Kristallen.

Bei sehr hohen Intensitäten des einfallenden Lichtes findet analog zur stimulierten Raman-Streuung eine stimulierte B. statt. Die Intensität der Streustahlung wächst dann exponentiell mit der Länge des im Medium durchlaufenen Weges an. In langgestreckten Medien (Flüssigkeiten in Küvetten, Glasfasern) findet daher – bei Einstrahlung in Längsrichtung – B. praktisch nur in Rückwärtsrichtung statt. Auf diese Weise können große Teile der einfallenden Strahlung "reflektiert" werden. Darauf beruhen einige Anwendungen der stimulierten B. in der Lasertechnik. Die (stimulierte) Streustrahlung zeigt weiterhin die bemerkenswerte Eigenschaft der Phasenkonjugation.

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