В ФИАН подведены итоги серии экспериментов по рассеянию света на акустических колебаниях неупорядоченных систем наночастиц диоксида кремния. Развитие нанотехнологий делает вполне актуальным использование эффекта низкочастотного комбинационного рассеяния для определения распределения наночастиц в матрице.

    Спонтанное неупругое рассеяние света на акустических колебаниях сферических наночастиц является предметом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований с момента появления первой экспериментальной работы (в 1985 г.), в которой было обнаружено спонтанное низкочастотное рассеяние света на системе металлических наночастиц. К настоящему времени накоплен достаточно большой экспериментальный материал по изучению низкочастотного комбинационного рассеяния (НКР) света для полупроводниковых, металлических и диэлектрических наночастиц, находящихся как в жидком диэлектрике, так и в твердой матрице.
    Практически все работы по исследованию НКР света проводились для неупорядоченных наноразмерных систем. Первой работой, в которой было реализовано НКР в упорядоченной системе – синтетической опаловой матрице – была работа М. Куока (Kuok M.H.) с соавторами. Используя спектральную аппаратуру высокого разрешения, им удалось зарегистрировать 7 стоксовых и 7 антистоксовых компонент НКР со спектральным смещением относительно возбуждающей линии от 7 до 40 гигагерц. Используя общепринятый подход к описанию собственных колебаний упругой сферы со свободными граничными условиями, развитый еще У.Лэмбом (Lamb W.E.), показано, что зарегистрированные частотные смещения компонент НКР соответствуют собственным частотам кварцевых сфер субмикронного размера, из которых состояли используемые образцы синтетических опаловых матриц. Учитывая, что общим положением квантовой теории излучения является наличие вынужденного аналога у любого спонтанного радиационного процесса, спонтанному низкочастотному комбинационному рассеянию можно поставить в соответствие вынужденное рассеяние аналогичной природы.
    Учитывая, что исследуемые образцы синтетических опаловых матриц представляют собой плотно упакованную структуру шаров (глобул) кремнезема, вынужденное низкочастотное комбинационное рассеяние света на акустических колебаниях таких глобул получило название вынужденное глобулярное рассеяние (ВГР) света.
    Для экспериментального исследования вынужденного низкочастотного комбинационного рассеяния света, возбуждаемого в нанокомпозитах на основе синтетических опаловых матриц – вынужденного глобулярного рассеяния (ВГР) света, использовалась установка, показанная на рисунке 1.
 

Рисунок 1. Схема экспериментальной установки: 1 - лазер; 2, 5, 11 - стеклянные пластины;
3 - система регистрации характеристик возбуждающего излучения; 8 - зеркало;
9 - линза, фокусирующая возбуждающее излучение на образец; 10 - образец;
6, 13 - интерферометры Фабри-Перо; 7, 14 - системы регистрации интерферограмм;
4,12 - системы измерения энергии рассеянного света в прямом и обратном направлении

    В качестве источника возбуждающего излучения использовался лазер на рубине, работающий в режиме модуляции добротности. Принципиальным моментом является использование лазера с узкой спектральной линией, так как спектральные смещения рассеянного излучения составляют величины от десятых долей, до десятков обратных сантиметров.
    Для регистрации спектральной структуры рассеянного излучения с небольшим спектральным смещением относительно возбуждающей линии использовался интерферометр Фабри-Перо с различными базами, что позволяло варьировать область дисперсии в широком диапазоне от 0,42 см^-1 до 1,67 см^-1 .
    В качестве основных результатов проведённых исследований отмечают следующие.
1. Впервые получено вынужденное рассеяние света в твердотельных субмикронных структурах. Данный тип вынужденного рассеяния света является результатом взаимодействия лазерного излучения с собственными акустическими колебаниями наноразмерных структурных единиц, составляющих исследуемые образцы.
2. Рассеяние возбуждается как в прямом, так и в обратном, по отношению к накачке, направлении. Смещение частоты рассеяния относительно частоты накачки одинаково для прямого и обратного направлений рассеяния. Это смещение частоты определяется морфологией образцов.
3. Понижение температуры образцов до температуры жидкого азота, повышало эффективность преобразования волны накачки в рассеянную волну и понижало порог возникновения вынужденного рассеяния.
4. Высокое значение эффективности преобразования волны накачки, а также возможность перестройки частотного смещения рассеянной волны относительно накачки открывает перспективу использования данного процесса в схемах для генерации сигналов в гигагерцовом диапазоне в качестве бигармонической накачки.
    Заведующий Лабораторией когерентной оптики ФИАН Николай Владимирович Чернега так прокомментировал результаты проведённой работы:

    «Анализ спектров НКР позволяет получить не только информацию о морфологии наночастиц и об особенностях их взаимодействия с электромагнитным излучением, но и может быть использован для определения распределения наночастиц по размерам. Эта возможность практического применения эффекта НКР для создания коммерческих приборов предназначенных для определения размеров наночастиц стимулирует дальнейшие исследования в этом направлении»

В. Жебит, АНИ «ФИАН-информ»