ブリルアン分光– category –

光散乱の種類
ブリルアン散乱とラマン散乱

光散乱には、振動数が変わらないレイリー散乱と、振動数が変わる非弾性散乱があります。非弾性散乱のうち、分子振動や光学フォノンによるものがラマン散乱（THz 領域）、音響フォノンによるものがブリルアン散乱（GHz 領域）です。

hν_B が熱エネルギー k_BT よりはるかに小さいため、ストークス線とアンチストークス線はほぼ同じ強さで現れます。この点はラマン散乱と大きく異なります。

散乱の運動学
エネルギーと運動量の保存

散乱の前後で、エネルギーと運動量の両方が保存されます。音響フォノンの振動数 Ω は光の振動数よりはるかに小さいので、散乱光の波数は入射光とほぼ等しくなります。

後方散乱（θ = 180°）では ν_B = 2nv/λ₀ となり、シフトは最大になります。顕微鏡測定の多くはこの配置です。

音響フォノンによる
屈折率の周期変調

物質中では熱揺らぎによって、さまざまな方向と波長の音波が常に伝わっています。音波は密度の粗密をつくり、光弾性効果によって屈折率も周期的に変化します。この屈折率の縞は、光にとって音速 v で動く回折格子として働きます。

ブラッグ条件を満たす波長 Λ の音波だけが光を回折し、縞が動いているため回折光はドップラー効果で振動数が ±v/Λ ずれます。近づく音波からはアンチストークス光、遠ざかる音波からはストークス光が生じます。2式から Λ を消去すると、前のスライドの ν_B = (2nv/λ₀) sin(θ/2) と一致します。

ブリルアンシフトと弾性率

測定したシフト ν_B から縦波の音速が決まり、密度 ρ と組み合わせると縦弾性率（ロンジチューディナル・モジュラス）M が求まります。ピークの幅 Γ_B は音波の減衰を表し、粘性に関係する損失成分を与えます。

例：水（ρ ≈ 997 kg/m³、v ≈ 1497 m/s）では M′ ≈ 2.2 GPa です。弾性率を求めるには n と ρ が必要ですが、生体試料では ρ/n² がほぼ一定とみなされることが多く、ν_B の変化が弾性率の変化の目安として使われます。

ブリルアン分光装置の構成

• 1
  単一周波数レーザーシフトが GHz と小さいため、線幅がブリルアン線幅より十分狭く、周波数が安定した単一縦モードの光源が必要です。
• 2
  吸収セル（ノッチフィルタ）ヨウ素やルビジウムの蒸気セルで、励起波長の弾性散乱光（レイリー光や反射光）だけを吸収して取り除きます。
• 3
  高分解能・高コントラスト分光器タンデム・ファブリーペロー干渉計（コントラスト 10¹⁰ 以上）や、高速に測れる VIPA 分光器を使います。回折格子の分光器では分解能が足りません。