CC BY
35
УДК 006:528
Б.С. Могилъницкий, Г.В. Шувалов ФГУП «СНИИМ», СГГА, Новосибирск
ПРИНЦИП АНАЛИЗА НАНОВЕЩЕСТВ СВЕРХКОРОТКИМИ ИМПУЛЬСАМИ СВЕТА
Представлен принцип анализа наноструктур по временным процессам взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов оптического диапазона с исследуемым веществом. Времена релаксации возбужденных состояний среды несут информацию о ее структуре. Рассмотрены возможности известных оптических методов в получении такой информации.
B.S. Mogilnitsky, G.V. Shuvalov
Siberian Scientific-Research Institute of Metrology (SSRM) 4 Dimitrova str., Novosibirsk, 630004, Russian Federation; Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 10 Plakhotnogo UL., Novosi-birsk, 630108, Russian Federation
PRINCIPLE ANALYSIS NANOMATERIAL ULTRASHORT LIGHT PULSES
The analysis principle nanostructures on time processes of interaction of supershort laser impulses of an optical range with investigated substance is presented. Times of a relaxation of the raised conditions of environment bear the information on its structure. Possibilities of known optical methods in reception of such information are considered.
Известные методы анализа наноструктур (растровая электронная и оптическая микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, лазерная интерферометрия и фазометрия и др.), как правило, связаны с пространственным представлением восприятия событий, временная составляющая этих процессов остается как-бы «за кадром», вне поля зрения. В тоже время наномир как и макромир, в котором мы творим, и мегамир (космос) подчиняется фундаментальному закону о единстве пространства-времени: бессмыслено говорить о пространстве без времени, как и времени вне пространства [1]. Поэтому любой физический процесс длится определенный промежуток времени. Временная составляющая измерительного процесса при нестационарном облучении (сверхкороткие импульсы) дает дополнительную, а порой и более фундаментальную информацию об исследуемом веществе.
В области наноразмеров оптические классические методы исследований такие как интерференция и дифракция малоэффективны в силу большого различия между длиной волны используемого излучения и размером анализируемых нановеществ. Сложность проблемы анализа указанными оптическими методами заключается в сверхмалых размерах анализируемых
обьектов. Выход из этой ситуации - переход в более коротковолновую (УФ и Гамма) часть спектра, что неизбежно усложняет процесс анализа из-за сложности процесса измерения и аппаратуры. С этой точки зрения весьма привлекательными, на наш взгляд, являются методы светорассеяния в оптической области, поскольку они являются универсальными для любых соотношений размеров рассеивателя к длине волны зондирующей радиации. Здесь необходимо отметить что, для решения указанных задач кроме светорассеяния применимы хорошо разработанные методы лазерной нестационарной спектроскопии позволяющие определять состав веществ на атомном и молекулярном уровне и косвенно их структуру.
Достаточно эффективными возможностями в задачах изучения структуры веществ обладают нестационарные методы светорассеяния. Информация о временах рассеяния и релаксации при импульсном зондировании, заключена в форме импульсов эхо-сигнала. Форма рассеянного импульса света несет главную информацию о структуре рассеивателя. Это, по существу, информация о фундаментальном строении веществ [2].
Задача сегодняшнего дня состоит в анализе формы и точном измерении длительности сверхкороткого информационного импульса, как основной составляющей его формы.
Поэтому к известным методам исследования нановеществ следует добавить существенное направление - анализ наноструктур по временным процесссам оптичеких методов: классического светорассеяния Релея, ВКР и ВРМБ и др.
Кратко рассмотрим возможности таких методов:
I. В рамках обсуждаемой проблемы нестационарное Релеевское рассеяние является решением поставленной задачи. Поскольку размер рассеивателя (с1~ 1 -100 нм) много меньше длины волны падающего светового импульса (Х~1000нм) и для случая однократного рассеяния ( газы, чистые жидкости и др.) имеем следующие возможности получения информации:
а) Если длительность импульса т больше времени двойного прохождения света через наночастицу Т1 (т > Т1= d/nc, d - размер рассеивателя, п -показатель преломления наночастицы, с- скрость света в вакууме), то эхо-импульс будет такой же длительности;
б) Если т (нано-, пико- и наноимпульмного меньше Т1(т < Т1), то эхо -импульс будет уширенным пропорционально размеру частицы. Измерив точно длительность эхо-импульса, определим размер наночастицы как d=c•n•т [3]. В случае многократного рассеяния (сплошные среды, твердые тела, криссталы и др.) - импульсный отклик зависит от свойств облучаемой среды [4].
II. Нестационарное ВКР
Известно физическое явление, позволяющее решить фантастическую задачу - уловить и расшифровать сигналы, испускаемые наночастицами вещества - молекулами. Это явление - комбинационное рассеяние света (ВКР). В форме эхо-сигнала ВКР записана богатая информация о строении молекул, о процессах происходящих в них, и об их взаимодействиях.
Импульс света с А~1000 нм вызывает ВКР с изменненой длиной волны на величину ДА,, те. Авкр= А±ДА, где ДА изменяется в широких пределах (0.005-
0.2)А, а в газах может быть значительным - порядка А и даже больше [5]. Эхо-сигнал в виде импульса, несет информацию о строении молекул и атомов. Основная информация - в изменении длительности стоксова импульса по сравнению с длительностью импульса накачки.
Более современная технология ВКР - нестационарная КАРС (комбинационная когерентная спектроскопия) определяет время релаксации возбуждения среды сверхкороткими импульсами. Для спектральноограниченных лазерных импульсов справедливо соотношение Ду„-т ~1. Откуда т =1 /Дун, где Дун - неоднородно уширенная линия перехода [6], которую теперь вместо оценки можно точно определить, прецизионно измерив длительность СКИ.
III. Сверхкороткие акустические импульсы
Принципиально новые возможности в нелинейной и прикладной акустике открываются при использовании сверхкоротких лазерных импульсов для генерации акустических импульсов - импульсов деформации [6]. Пространственная протяженность акустических видеоимпульсов длительностью 1 пс в твердых телах составляет около 5 нм, что позволяет существенно повысить пространственное разрешение в дефектоскопии. Масштабы пикосекундных импульсов деформации сравнимы с периодом кристаллической решетки. Возникающий акустический импульс - это видеоимпульс (импульс с длительностью в один период). Актуальная задача сегодняшнего дня - точно измерить его длительность. Это даст возможность пронаблюдать картину распределения дефектов и остаточных напряжений в пленках и измерить их толщину [7].
IV. ВРМБ - вынужденное рассеяние Мандельштам-Брюэлена - рассеяние
Света на звуковых волнах в твердых телах. Современное направление -
рассеяние связанное с нестационарными нелинейными оптическими явлениями: эффектами сжатия и расплывания мощных сверхкоротких
импульсов в оптических волокнах и других твердых средах [6].
Отдельный интерес представляет режим самосжатия, в котором форма импульса в среде остается неизменной, образуя оптический солитон [8]. ВРМБ как и ВКР представляет собой идеальный метод для изучения структуры решетки твердых тел, а также влияние возмущений на фононовые спектры. Получение такой информации связано с технологией точного измерения длительности рассеянного импульса света.
К рассмотренным методам добавим методы использующие явления когерентности света.
V. Лазерная импульсная спектроскопия атомов и молекул.
К настоящему времени эта относительно новая часть лазерной спектроскопии достаточно разработана теоретически и экспериментально [9]. Основные разделы, требующие точного измерения временных интервалов это: нестационарная спектроскопия, когерентные резонансные эффекты (затухание свободной поляризации, квантовые биения, оптическая нутация, фотонное эхо,
самоиндуцированная прозрачность). Эти проблемы существуют и для случая многофотонных резонансов.
Когерентная нестационарная спектроскопия связана с измерением времен релаксации матричных элементов и времен релаксации энергии. Информация об указанных процессах заключена в форме импульсов, точнее в разности форм зондирующего импульса и эхо-сигнала. Основной составляющей формы является длительность импульса. Точное измерение длительности импульсов является метрологическим обеспечением указанных фундаментальных методов исследования структуры и природы нановеществ.
VI. Импульсная интерферометрия
Одним из новых методов исследования сред с помощью сверхкоротких импульсов является метод импульсной интерферометрии [10, 11]. В отличие от классической, нестационарная интерфеметрия дает информацию как о спектральных так и о временных особенностях среды. Из-за отсутствия оптикоэлектронных средств регистрации мгновенно протекающих процессов, импульсная интерферометия является одним из простых средств анализа нестационарных процессов. В качестве анализатора используется ИФП, который является средством измерения длительности сверхкоротких импульсов света. Метод точного измерения длительности сверхкоротких импульсов света изложен в [10, 12].
VII. Выводы и заключения
Здесь мы кратко рассмотрели только часть наиболее важных возможностей получения информации о строении нановеществ с помощью методов и принципов нестационарного оптического зондирования сред. Временная составляющая получаемой информации несет фундаментальные знания о веществе на наноуровне. За такой информацией будущее, поскольку она является огромным дополняющим вкладом в известные методы изучения природы веществ и бурно развивается.
К настоящему времени разработаны и интенсивно разрабатываются новые оптические методы, позволяющие регистрировать импульсную информацию сверхкороткой длительности. Это реальный путь использования огромных возможностей современных лазерных технологий для решения актуальных задач науки и производства. В работе представлены некоторые возможности решения указанной проблемы.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Планк, М. Единство физической картины мира [Текст] / М.Планк// -М.:Наука, 1966.
2. Сверхкороткие световые импульсы. Под ред. С.Шапиро [Текст] -Москва,1981.
3. Исимару, Ф. Распространение и рассеяние волн в случайнонеоднородных средах. [Текст] / Ф.Исимару // 1981.-М.: Мир - Т.1. - С.118.
4. Сергеева, Е.А. Распространение фемтосекундного импульса в рассеивающей среде: теоретический анализ и численное моделирование [Текст]
/ ЕА. Сергеева, М.Ю. Kириллин, A.В.Приезжев // - вантовая электроника -2006 - Т.36 - №11 -С.1023/
5. Сущинский, М.М. Kомбинационное рассеяние света и строение вещества. [Текст] / М.М. Сущинский // - «Наука», М.1981.
6. Aхманов, СА. Оптика фемтосекундных импульсов. [Текст]/ СА. Aхманов, ВА.Вислоух, A.Q Чиркин // - «Наука», М. 1988.
7. Tam A.C. // Appl.Phys.Lett. - 1984. - V.45. - P.510.
8. Вислоух ВА. // УФН. - 1982.- Т. 136. - С.539.
9. Лазерная спектроскопия атомов и молекул. Под ред. С.Шапиро. [Текст] / Москва. 1979.
10. Могильницкий Б.С. Импульсная интерферометрия: возможности и их реализация. [Текст] / Б.С. Могильницкий // Материалы X международной конференции <Актуальные проблемы электронного приборостроения, AПЭП-2010».- Новосибирск, 2010. Сб.тр.-Т.10 - С.60-64.
11. Беспалов В.Г., Ефимов Ю.Н., Стаселько Д.И. Спектрально-временной анализ переходных процессов в интерферометре Фабри-Перо [Текст] // Оптика и спектроскопия.- 2001.- Т.90,- №4,-С.900-698.
12. Могильницкий Б.С. Измерение некоторых параметров сверхкоротких лазерных импульсов. [Текст] / Б.С. Могильницкий // Сб. материалов международного научного конгресса «ГЕО-Сибирь-2010»- Новосибирск: GrrA, - 2010 - Т.5, Ч.2.- С.143-146.
© Б.С. Mогuлънuцкuй, Г.В. Шувалов, 2011
