Ученые из Физического института им. П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), ОАО ЦНИТИ «Техномаш» и Научно-исследовательского института ядерной физики им. Д.В. Скобельцына (НИИЯФ МГУ) обнаружили новый тип вынужденного рассеяния света. Суть обнаруженного процесса заключается в том, что лазерное излучение, падающее на периодически наноструктурированное вещество, рассеивается на акустическом возбуждении составных структур образца.

Одним из проявлений рассеяния света является голубой цвет неба. Такую «окраску» ему придают исходящие от Солнца синие лучи, которые рассеиваются на молекулах воздуха сильнее остальных своих «собратьев» по спектру. Это рассеяние называют спонтанным. Но есть и другой вид – вынужденный. Он наблюдается в тех случаях, когда свет рассеивается на частицах (молекулах, атомах, электронах) вещества, изменивших характер движения под действием самого излучения. Наблюдать вынужденное рассеяние можно в твердых телах, жидкостях, газах, плазме.

Сотрудники Лаборатории когерентной оптики ФИАН исследуют поведение света в трехмерных фотонных кристаллах, а именно, в синтетических опаловых матрицах. Показатель преломления внутри такого кристалла периодически изменяется, поэтому возникают фотонные запрещенные зоны, или иными словами, распространение излучения (определенных длин волн) в некоторых направлениях запрещено.

Мы исследуем синтетические опаловые матрицы – это трехмерные фотонные кристаллы с запрещенными зонами в видимом диапазоне света. Такие кристаллы состоят из сфер или глобул размером порядка 200–300 нм. Полости между этими глобулами легко заполнять разного рода нелинейными средами и тем самым изменять положение фотонных запрещенных зон и нелинейные оптические свойства получившегося материала", – рассказывает руководитель работы, кандидат физико-математических наук Николай Чернега.

При облучении опаловой матрицы и ее же, но инфильтрованной различными средами, импульсным рубиновым лазером ученые обнаружили новый тип рассеяния, которое представляет собой результат взаимодействия лазерного излучения с акустическим возбуждением глобул, из которых состоят кристаллы. Каждая из этих глобул имеет свою акустику или, другими словами, «дышит», то есть сжимается и разжимается, и, значит, свет при прохождении через такую систему препятствий должен рассеиваться. И действительно, если направить на опал слабый по мощности лазерный луч, то в спектре прошедшего излучения появятся компоненты, смещенные на частоту колебаний глобул, то есть произойдет спонтанное рассеяние света. Однако если использовать мощный источник света, тогда свет воздействует на характер акустических колебаний каждой из глобул, и полученный режим рассеяния будет вынужденным.

В спектре прошедшего сквозь образец света мы наблюдали новые спектральные линии, которые соответствуют новому типу рассеяния света – на акустическом возбуждении среды. Это следует из того, что частоты смещения рассеянного света лежат в гигагерцовом диапазоне, который соответствует длине волны звукового возбуждения, соизмеримой со средним размером глобул. То есть по сути можно говорить о взаимодействии между светом и звуком, а точнее, гиперзвуком", – делится результатами экспериментов Николай Чернега.

Для подтверждения того, что наблюдаемое рассеяние света не связано с фотонными свойствами кристалла, исследователи облучили тем же красным излучением образец с фотонной зоной в сине-зеленой области спектра. Поведение света, как и ожидалось, не изменилось.

Рис. 1.

Обнаруженное явление может быть использовано в спектроскопии, в тех случаях, когда для изучения свойств нанообъектов на образец необходимо подать излучение, состоящее из двух близкорасположенных спектральных линий. Таким образом, кристаллы опала можно использовать в качестве недорогого источника бигармонической накачки.

Сферы, которые составляют опал, – поясняет Чернега, – обладают дискретным набором частот, и поэтому в спектре прошедшего сквозь кристалл света появляется несколько дополнительных спектральных компонент – до пяти. При этом подбирая условия возбуждения, мы можем управлять интенсивностью и появлением/не появлением определенных линий".

Предполагается, что для использования опала в качестве источника бигармонической накачки его необходимо «начинять» средой с близким по значению показателем преломления. В этом случае свет будет проходить сквозь кристалл, практически не преломляясь, а акустическое возбуждение сфер все равно будет давать свой вклад в спектр. Как выяснили ученые, для этой же цели могут быть использованы и наноструктурированные пленки различных типов.

Новый тип рассеяния света наблюдается и здесь – свет рассеивается на морфологических неоднородностях пленок (то есть «единицах периода», состоящих из пространственно организованных наночастиц), акустическое возбуждение которых также может приводить к эффективному оптоакустическому взаимодействию.

По материалам: