Низкочастотное вынужденное комбинационное рассеяние

УДК 535(06)+004(06)
А.С. ШЕВЧУК, Н.В. ЧЕРНЕГА, А.Д. КУДРЯВЦЕВА
Физический институт им. П.Н. Лебедева РАН, Москва
НИЗКОЧАСТОТНОЕ ВЫНУЖДЕННОЕ КОМБИНАЦИОННОЕ РАССЕЯНИЕ СВЕТА
В НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ
Представлены экспериментальные исследования взаимодействия импульсного лазерного излучения с
различными типами тонких пленок. Были исследованы поликластерные алмазные пленки, пленки нитрида
алюминия (AlN) и пленки оксида индия и олова (ITO). Спектральные особенности рассеянного света
определяются структурой образцов.
Наноструктурированные материалы обладают большим разнообразием возможных применений.
Распространение электромагнитных волн в таких системах приводит к ряду интересных явлений, особенно в
случае, когда длина волны сравнима с размерностью наноструктуры. Усиление электромагнитного поля
вблизи наноразмерных объектов, формирование фотонной запрещенной зоны, снижение групповой
скорости волн, локализация фотонов и многие другие явления представляют большой научный интерес. Как
и электромагнитные волны, акустические волны демонстрируют ряд новых явлений при распространении в
среде, состоящей из структурных неоднородностей с размерами порядка длины акустической волны [1]. При
типичных размерах неоднородностей (стержни, шарики и т. д.) в несколько сотен нанометров акустические
волны соответствует гиперзвуку. Для наноструктурированных материалов с различной структурой
акустическое возбуждение неоднородностей может привести к низкочастотному комбинационному
рассеянию мод, подчиняющихся переходным правилам отбора. Низкочастотное КР в полупроводниковых,
диэлектрических и металлических нанообъектах
[2-5] дает важную информацию об их колебательной
динамике. Сдвиг частоты рассеянного света определяется собственными частотами структурных
неоднородностей. Целью данной работы было реализовать вынужденное рассеяние света, вызванное
взаимодействием лазерного излучения с локализованными акустическими модами структурных
неоднородностей. Исследовались поликластерные алмазные пленки, пленки нитрида алюминия (AlN) и
пленки оксида индия и олова (ITO).
Все эти материалы можно охарактеризовать средними размерами структурных неоднородностей,
которые определяются условиями роста. Размеры неоднородностей – порядка нескольких сотен нанометров
(от 900 нм до 1000 нм), что соответствуют акустическим частотам, лежащим в гигагерцевом диапазоне.
При возбуждении гигантским импульсом рубинового лазера ( = 694.3 нм,  = 20 нс, Emax = 0.3 Дж., Δν =
0.015 см-1) при достижении порога в спектре света, прошедшего через образец и отраженного от образца,
наблюдались дополнительные спектральные компоненты, смещенные от лазерной линии на несколько
десятых см-1.
Во всех исследованных образцах было зарегистрировано вынужденное рассеяние света, вызванное
взаимодействием лазерного излучения с акустическими колебаниями доменов с размерами порядка
нескольких сотен нанометров. Увеличение среднего размера структуры образца приводило к
одновременному уменьшению сдвига частот волн, рассеянных в прямом и обратном направлениях. Высокая
эффективность преобразования, имеющая место для всех исследованных образцов (от 10% до 20% в
зависимости от образца), соответствует высокой эффективности возбуждения гиперзвука. Структура
образцов определяет количество и значения акустических резонансов, которые могут быть возбуждены, и
если эти моды подчиняются правилам отбора, их можно наблюдать в виде низкочастотного
комбинационного рассеяния, а при определенных условиях реализуется режим вынужденного рассеяния
света.
Большое количество наноструктурных пленок с различной структурой дает возможность
экспериментальной реализации когерентного источника света с различными сдвигами частот, лежащими в
гигагерцевом диапазоне, который может быть использован для бигармонической накачки в задачах
спектроскопии.
Список литературы
1. E.N. Economou, R.S. Penciu Phonons and Phononic Gaps in Continuous Inhomogeneous Media, Lect. Notes
Phys., 630, 175-186 (2003).
2. E. Duval, A. Boukenter, B. Champagnon Vibration Eigenmodes and Size of Microcrystallites in Glass:
Observation by Very-Low-Frequency Raman Scattering, Phys. Rev. Lett. 56, 2052-2055 (1986).
3. P. Verma, W. Cordts, G. Irmer, J. Monecke Acoustic vibrations of semiconductor nanocrystal in doped
glasses, Phys. Rev. B 60, 5778-5785 (1999).
4. A. Tanaka, S. Onari, T. Arai Low-frequency Raman scattering from CdS microcrystals embedded in a
germanium dioxide glass matrix, Phys. Rev. B 47, 1237-1243 (1993).
5. L. Saviot, B. Champagnon, E. Duval, I.A. Kudriavtsev, A.I. Ekimov, Size dependence of acoustical and
optical vibrational modes of CdSe nanocrystals in glasses J. Non-Cryst. Solids 197, 238-246 (1996).