Последние достижения волновой и квантовой оптики: генерация сверхкоротких лазерных импульсов (СКИ), частотные "гребенки", эффект интерференции атомов и другие накопленные факты, позволяют использовать вновь открывшиеся возможности классической и квантовой физики для исследования природы наномира.
Эти возможности, по мнению авторов статьи, заключены в таких фундаментальных явлениях, как импульсная спектроскопия СКИ, явления дифракции и интерференции для квантов света и атомов. Реализованные возможности интерференции света представлены в работе [9].
Разработана и аттестована лазерная интерферометрическая измерительная система наноперемещений на расстояния, значительно меньшие длины волны He-Ne лазера с длиной волны λ = 632,9 нм. Фазовая обработка измерительной информации, полученная из сигналов разностной частоты радиодиапазона, сформированных при двойном преобразовании частоты оптической несущей с помощью акустическо-оптических модуляторов в опорном и сигнальном плечах интерферометра Майкельсона, позволяет регистрировать наноперемещения величиной менее 0.1 нм!
Для исследования атомного строения веществ применяют диф¬ракционные методы исследования, основанные на измерении уровней дифракции рентгеновских лучей, элетронов или нейтронов на кристаллической решетке вещества.
Наиболее распространенным среди этих методов является метод рентгеноструктурного анализа, который за почти столетнюю историю своего существования развился в мощный аналитический метод, с помощью которого расшифровано огромное число кристаллических и молекулярных структур, включая структуры сложнейших белковых молекул.
Метод позволяет определять атомную структуру вещества, включающую в себя пространственную группу элементарной ячейки, ее размеры и форму, а также определить группу симметрии кристалла. Пространственное разрешение метода - доли нанометра [10].
С появлением лазерных СКИ, интенсивно развивается качественно новые виды анализа вещественных сред -импульсная интерферометрия [11] и импульсная спектроскопия. Импульсная спектроскопия - это спектроскопия будущего, обладающая огромной информативностью и сверхбыстродействием [12].
Наномир - это не только координаты в нано-пространстве, но еще и нано-время. Известные методы анализа наноструктур, как правило, связаны с традиционным пространственным представлением для восприятия событий, при этом, временная составляющая этих процессов остается как бы "за кадром", т.е вне поля зрения.
Временная составляющая измерительного процесса при импульсном освещении дает дополнительную, а порой и более фундаментальную информацию об исследуемом веществе. Методы лазерной импульсной спектроскопии позволяют определять состав веществ на атомном и молекулярном уровне и косвенно их структуру.
Поэтому к известным методам исследования наноструктур веществ (растровая электронная и оптическая микроскопия, сканирующая зондовая микроскопия, лазерная интерферометрия и фазометрия, и др.) предлагается добавить существенно новое направление - анализ состояний наноструктур по временным процессам существующих оптических методов: классического светорассеяния Релея, ВКР, ВРМБ и др.
Основные разделы, требующие точного измерения временных интервалов, это нестационарная спектроскопия, когерентные резонансные эффекты (затухание свободной поляризации, квантовые биения, оптическая нутация, фотонное эхо, самоиндуцированная прозрачность и др.) [12].
Лазерная импульсная интерферометрия дает возможность формирования виртуальной пространственной наношкалы, возникающей в частотной структуре каждого лазерного импульса сверхкороткой длительности [13]. Частотный и временной спектры лазерного импульса однозначно взаимосвязаны посредством интеграла Фурье [14].
Дискретные спектры импульса определяются рядами Фурье. Чем меньше длительность импульса, тем большим интервалом частот он обладает. Частотный спектр СКИ является дискретным и формируется линейными размерами резонатора лазера и усилением активной среды. Например, для десятисантиметрового резонатора и гранатового кристалла лазера число продольных мод составляет несколько миллионов. Это эквивалентно ситуации одновременной работы миллионов лазеров - источников когерентного излучения с фиксированной частотой генерации.
В отсутствии частотной дисперсии в кристалле лазера, моды расположены через равные частотные промежутки величиной в 1500 мГц ( Δν= c / 2L).
Такие частотные интервалы эквивалентны пространственным интервалам между волновым фронтами продольных мод (аналог пространственного спектра дискретных компонент в работе [15]) в соответствии с соотношением: (Δν) / ν = ( Δλ) / λ ..
Так, для десятисантиметрового резонатора YAG: Nd -лазера с λ = 1мкм пространственный интервал между волновыми фронтами продольных мод равен 0.5 нм.
Другими словами, волновые фронты мод каждого светового импульса, освещающего среду или ее поверхность, разделены пространственно на величину 0.5 нм. Это по существу - виртуальная пространственная наношкала.
Наношкала является удобной системой отсчета для определения закона распределения исследуемых наноаномалий. Местоположение таких локальных особенностей в среде или на ее поверхности определяется по шкале частот резонансами поглощения (реперами), и могут быть началом системы отсчета наношкалы для каждого зондирующего СКИ.
С помощью виртуальной наношкалы можно сформировать пространственное распределение поглощающих аномальных нановключений на поверхности или внутри исследуемой среды. Пространственное разрешение наношкалы определяется линейными размерами резонатора лазера.
Так, для метрового резонатора лазера дискретность наношкалы составит величину 0.5 · 10-3 нм, что значительно (на три порядка) выше разрешения материальных наношкал [9].
Стабильность пространственных наношкал определяется стабильностью резонатора импульсного лазера и может достигать фантастической величины ( ~ 10-14 ) при активной стабилизации длины резонатора лазера [16]. Заслуги классической и особенно лазерной спектроскопии в исследовании микро- и наносред трудно переоценить.
