OSOBENNOSTI ISSLEDOVANIYa OPTIChESKI PROZRAChNYKh MATERIALOV S POMOShch'Yu AKUSTIChESKOGO IMPUL'SA, INDUTsIROVANNOGO SVERKhKOROTKIM SVETOVYM IMPUL'SOM V PLENKE OPTOAKUSTIChESKOGO PREOBRAZOVATELYa SUBMIKRONNOY TOLShchINY

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Работа посвящена особенностям исследования оптически прозрачных конденсированных материалов с помощью лазерно-индуцированных гиперзвуковых волн (частотой >109 Гц) высокого давления (единицы ГПа). Генерация гиперзвука происходит в результате поглощения сверхкороткого (~10−13с) лазерного импульса в оптоакустическом преобразователе – поглощающем материале, нанесенном на исследуемую оптически прозрачную подложку, регистрация распространяющейся гиперзвуковой волны в которой осуществляется за счет мандельштам-бриллюэновского рассеяния во временной области. На примере стеклянной подложки, покрытой пленкой Ni субмикронной толщины, экспериментально исследуется влияние акустического импульса (эха), циркулирующего в пленке Ni, на амплитуду и фазу регистрируемых бриллюэновских осцилляций в подложке. Измерена динамика изменения коэффициента отражения ΔR(t)/R0 во временном диапазоне до 0.7×10−9 с и временным разрешением до 0.6×10−13 с при возбуждении и зондировании на границе раздела стекло–Ni в максимально широком диапазоне поглощенных плотностей энергий нагревающего импульса от 0.8 до 13.2 мДж/см2, инициирующего мгновенный рост температуры электронной подсистемы Ni до нескольких тысяч градусов. Установлено, что амплитуда бриллюэновских осцилляций в подложке растет линейно с ростом вложенной энергии, что предполагает также линейный рост амплитуды давления акустического импульса от 0.5 до 9 ГПа в пленке Ni во всем диапазоне плотностей энергий. Обнаружено, что регистрируемый сигнал бриллюэновских осцилляций является суперпозицией бриллюэновских осцилляций от каждого отдельного акустического импульса (эха), заходящего в подложку из пленки Ni, что в итоге ведет к амплитудно-фазовой модуляции измеряемого сигнала. Предложен подход к восстановлению временной формы оптического отклика от акустического эха из модулированного сигнала бриллюэновских осцилляций в подложке, выполнено сопоставление с прямыми измерениями оптического отклика от акустического эха на границе раздела воздух–Ni.

About the authors

S. A Romashevskiy

Email: sa.romashevskiy@gmail.com

References

  1. Gusev V.E., Ruello P. Advances in Applications of Time-domain Brillouin Scattering for Nanoscale Imaging // Appl. Phys. Rev. 2018. V. 5. № 3. P. 031101.
  2. Ng R.C., El Sachat A., Cespedes F., Poblet M., Madiot G., Jaramillo-Fernandez J., Florez O., Xiao P., Sledzinska M., Sotomayor-Torres C.M., Chavez-Angel E. Excitation and Detection of Acoustic Phonons in Nanoscale Systems // Nanoscale. 2022. V. 14. № 37. P. 13428.
  3. Wang Y., Hurley D.H., Hua Z., Pezeril T., Raetz S., Gusev V.E., Tournat V., Khafizov M. Imaging Grain Microstructure in a Model Ceramic Energy Material with Optically Generated Coherent Acoustic Phonons // Nat. Commun. 2020. V. 11. № 1. P. 1597.
  4. Boccato S., Gauthier M., Siersch N.C. et al. Picosecond Acoustics: A New way to Access Elastic Properties of Materials at Pressure and Temperature Conditions of Planetary Interiors // Phys. Chem. Miner. 2022. V. 49. № 6. P. 20.
  5. Nikitin S.M., Chigarev N., Tournat V., Bulou A., Gasteau D., Castagnede B., Zerr A., Gusev V.E. Revealing sub-μm and μm-scale Textures in H2O Ice at Megabar Pressures by Time-domain Brillouin Scattering // Sci. Rep. 2015. V. 5. № 1. P. 9352.
  6. Комаров П.С., Ромашевский С.А., Струлёва Е.В., Ашитков С.И. Пикосекундная динамика и морфология тыльного откола нанослоя в пленке ванадия при ударно-волновом нагружении субпикосекундными лазерными импульсами // ТВТ. 2024. Т. 62. № 5. С. 698.
  7. Ашитков С.И., Комаров П.С., Струлева Е.В., Агранат М.Б. Сопротивление деформированию титана вблизи теоретического предела прочности // ТВТ. 2018. Т. 56. № 6. С. 897.
  8. Ашитков С.И., Комаров П.С., Струлева Е.В., Юркевич А.А., Агранат М.Б. Экспериментальные измерения оптических постоянных металлов, находящихся в двухтемпературном состоянии // ТВТ. 2016. Т. 54. № 6. С. 957.
  9. Петров Ю.В., Ромашевский С.А., Дышлюк А.В., Хохлов В.А., Еганова Е.М., Поляков М.В., Евлашин С.А., Ашитков С.И., Витрик О.Б., Иногамов Н.А. Аномальное пропускание света оптически толстыми пленками никеля, являющимися оптоакустическими трансдьюсерами // ЖЭТФ. 2025. Т. 167. № 5. С. 645.
  10. Хохлов В.А., Ромашевский С.А., Ашитков С.И., Иногамов Н.А. Синхронное детектирование нелинейных явлений в оптоакустических осцилляциях нанопленки, инициированных фемтосекундным лазерным импульсом // ПЖЭТФ. 2024. Т. 120. № 7. С. 550.
  11. Ромашевский С.А., Ашитков С.И., Хохлов В.А., Иногамов Н.А. Исследование релаксации энергии в нанопленке никеля после сверхбыстрого нагрева электронной подсистемы фемтосекундным лазерным импульсом // ТВТ. 2024. Т. 62. № 6. С. 906.
  12. Ашитков С.И., Иногамов Н.А., Комаров П.С., Петров Ю.В., Ромашевский С.А., Ситников Д.С., Струлева Е.В., Хохлов В.А. Сверхбыстрый перенос энергии в металлах в сильно неравновесном состоянии, индуцируемом фемтосекундными лазерными импульсами субтераваттной интенсивности // ТВТ. 2022. Т. 60. № 2. С. 218.
  13. Antoncecchi A., Zhang H., Edward S., Verrina V., Planken P.C.M., Witte S. High-resolution Microscopy Through Optically Opaque Media Using Ultrafast Photoacoustics // Opt. Express. 2020. V. 28. № 23. P. 33937.
  14. Chou K.-Y., Wu C.-L., Shen C.-C., Sheu J.-K., Sun C.-K. Terahertz Photoacoustic Generation Using Ultrathin Nickel Nanofilms // J. Phys. Chem. C. 2021. V. 125. № 5. P. 3134.
  15. Maznev A.A., Manke K.J., Lin K.-H., Nelson K.A., Sun C.-K., Chyi J.-I. Broadband Terahertz Ultrasonic Transducer Based on a Laser-driven Piezoelectric Semiconductor Superlattice // Ultrasonics. 2012. V. 52. № 1. P. 1.
  16. Matsuda O., Larciprete M.C., Li Voti R., Wright O.B. Fundamentals of Picosecond Laser Ultrasonics // Ultrasonics. 2015. V. 56. P. 3.
  17. Al-Basheer W., Viernes C., Cheng M., Zheng R., Netzke S., Pichugin K., Sciaini G. Determining the Out-of-plane Longitudinal Sound Speed in GeS by Broadband Time-domain Brillouin Scattering // ACS Omega. 2024. V. 9. № 13. P. 15463.
  18. Tomoda M., Kubota A., Matsuda O., Sugawara Y., Wright O.B. Time-domain Brillouin Imaging of Sound Velocity and Refractive Index Using Automated Angle Scanning // Photoacoustics. 2023. V. 31. P. 100486.
  19. Tachizaki T., Baumberg J.J., Matsuda O., Tomoda M., Ogi H., Wright O.B. Spectral Analysis of Amplitude and Phase Echoes in Picosecond Ultrasonics for Strain Pulse Shape Determination // Photoacoustics. 2023. V. 34. P. 100566.
  20. Devos A. Colored Ultrafast Acoustics: From Fundamentals to Applications // Ultrasonics. 2015. V. 56. P. 90.
  21. Ishioka K., Beyer A., Stolz W., Volz K., Petek H., Höfer U., Stanton C.J. Coherent Optical and Acoustic Phonons Generated at Lattice-matched GaP/Si(001) Heterointerfaces // J. Phys. Condens. Matter. 2019. V. 31. № 9. P. 094003.
  22. Ishioka K., Rustagi A., Höfer U., Petek H., Stanton C.J. Intrinsic Coherent Acoustic Phonons in the Indirect Band Gap Semiconductors Si and GaP // Phys. Rev. B. 2017. V. 95. № 3. P. 035205.
  23. Thomsen C., Grahn H.T., Maris H.J., Tauc J. Surface Generation and Detection of Phonons by Picosecond Light Pulses // Phys. Rev. B. 1986. V. 34. № 6. P. 4129.
  24. Ruello P., Gusev V.E. Physical Mechanisms of Coherent Acoustic Phonons Generation by Ultrafast Laser Action // Ultrasonics. 2015. V. 56. P. 21.
  25. Danilov E.A., Uryupin S.A. Generation and Detection of Sound at the Effect of Femtosecond Pulses on a Metal Film on a Dielectric Substrate // J. Appl. Phys. 2023. V. 133. № 20. P. 203101.
  26. Danilov E.A., Uryupin S.A. Influence of Inhomogeneous Temperature and Field Distribution on Sound Generation and Its Effect on Reflectivity of a Thin Film Heated by a Femtosecond Pulse // J. Appl. Phys. 2024. V. 136. № 1. P. 015304.
  27. Côte R., Devos A. Refractive Index, Sound Velocity and Thickness of Thin Transparent Films from Multiple Angles Picosecond Ultrasonics // Rev. Sci. Instrum. 2005. V. 76. № 5. P. 1.
  28. Edward S., Zhang H., Setija I., Verrina V., Antoncecchi A., Witte S., Planken P. Detection of Hidden Gratings through Multilayer Nanostructures Using Light and Sound // Phys. Rev. Appl. 2020. V. 14. № 1. P. 014015.
  29. Zhang H., Antoncecchi A., Edward S., Setija I., Planken P., Witte S. Unraveling Phononic, Optoacoustic, and Mechanical Properties of Metals with Light-driven Hypersound // Phys. Rev. Appl. 2020. V. 13. № 1. P. 014010.
  30. Vital-Juarez A., Roffi L., Desmarres J.-M., Devos A. Picosecond Acoustics versus Tape Adhesion Test: Confrontation on a Series of Similar Samples with a Variable Adhesion // Surf. Coatings Technol. 2022. V. 448. P. 128926.
  31. Lai K., Finkelstein-Shapiro D., Lehmann S., Devos A., Mante P.-A. Fano Resonance between Stokes and AntiStokes Brillouin Scattering // Phys. Rev. Res. 2021. V. 3. № 3. P. L032010.
  32. Devos A., Emery P. Thin-film Adhesion Characterization by Colored Picosecond Acoustics // Surf. Coatings Technol. 2018. V. 352. P. 406.
  33. Rossignol C., Rampnoux J.M., Perton M., Audoin B., Dilhaire S. Generation and Detection of Shear Acoustic Waves in Metal Submicrometric Films with Ultrashort Laser Pulses // Phys. Rev. Lett. 2005. V. 94. № 16. P. 166106.
  34. Chargui A., Martin N., Ferro G., Devos A. Tilted Columnar Metal Film as Transducer of Transverse Coherent Acoustic Phonons in Picosecond Acoustics // Appl. Phys. Lett. 2024. V. 125. № 19.
  35. Zhang H., Antoncecchi A., Edward S., Planken P., Witte S. Ultrafast Laser-induced Guided Elastic Waves in a Freestanding Aluminum Membrane // Phys. Rev. B. 2021. V. 103. № 6. P. 064303.
  36. Tzianaki E., Bakarezos M., Tsibidis G.D., Orphanos Y., Loukakos P.A., Kosmidis C., Patsalas P., Tatarakis M., Papadogiannis N.A. High Acoustic Strains in Si Through Ultrafast Laser Excitation of Ti Thin-film Transducers // Opt. Express. 2015. V. 23. № 13. P. 17191.
  37. Emery P., Devos A. Acoustic Attenuation Measurements in Transparent Materials in the Hypersonic Range by Picosecond Ultrasonics // Appl. Phys. Lett. 2006. V. 89. № 19. P. 7.
  38. Thomsen C., Grahn H.T., Maris H.J., Tauc J. Picosecond Interferometric Technique for Study of Phonons in the Brillouin Frequency Range // Opt. Commun. 1986. V. 60. № 1–2. P. 55.
  39. Lin H.N., Stoner R.J., Maris H.J., Tauc J. Phonon Attenuation and Velocity Measurements in Transparent Materials by Picosecond Acoustic Interferometry // J. Appl. Phys. 1991. V. 69. № 7. P. 3816.
  40. Wolff C., Smith M.J.A., Stiller B., Poulton C.G. Brillouin Scattering-theory and Experiment: Tutorial // J. Opt. Soc. Am. B. 2021. V. 38. № 4. P. 1243.
  41. Devos A., Côte R., Caruyer G., Lefèvre A. A Different Way of Performing Picosecond Ultrasonic Measurements in Thin Transparent Films Based on Laserwavelength Effects // Appl. Phys. Lett. 2005. V. 86. № 21. P. 1.
  42. Gusev V., Lomonosov A.M., Ruello P., Ayouch A., Vaudel G. Depth-profiling of Elastic and Optical Inhomogeneities in Transparent Materials by Picosecond Ultrasonic Interferometry: Theory // J. Appl. Phys. 2011. V. 110. № 12.
  43. Lomonosov A.M., Ayouch A., Ruello P., Vaudel G., Baklanov M.R., Verdonck P., Zhao L., Gusev V.E. Nanoscale Noncontact Subsurface Investigations of Mechanical and Optical Properties of Nanoporous Low-k Material Thin Film // ACS Nano. 2012. V. 6. № 2. P. 1410.
  44. Steigerwald A., Xu Y., Qi J., Gregory J., Liu X., Furdyna J.K., Varga K., Hmelo A.B., Lüpke G., Feldman L.C., Tolk N. Semiconductor Point Defect Concentration Profiles Measured Using Coherent Acoustic Phonon Waves // Appl. Phys. Lett. 2009. V. 94. № 11. P. 1.
  45. Steigerwald A., Hmelo A.B., Varga K., Feldman L.C., Tolk N. Determination of Optical Damage Crosssections and Volumes Surrounding Ion Bombardment Tracks in GaAs Using Coherent Acoustic Phonon Spectroscopy // J. Appl. Phys. 2012. V. 112. № 1.
  46. Hudert F., Bartels A., Dekorsy T., Köhler K. Influence of Doping Profiles on Coherent Acoustic Phonon Detection and Generation in Semiconductors // J. Appl. Phys. 2008. V. 104. № 12.
  47. Gregory J., Steigerwald A., Takahashi H., Hmelo A., Tolk N. Ion Implantation Induced Modification of Optical Properties in Single-crystal Diamond Studied by Coherent Acoustic Phonon Spectroscopy // Appl. Phys. Lett. 2012. V. 101. № 18.
  48. Thréard T., de Lima Savi E., Avanesyan S., Chigarev N., Hua Z., Tournat V., Gusev V.E., Hurley D.H., Raetz S. Photoacoustic 3-D Imaging of Polycrystalline Microstructure Improved with Transverse Acoustic Waves // Photoacoustics. 2021. V. 23.
  49. Lejman M., Vaudel G., Juvé V., Weber M.C., Infante I.C., Dkhil B., Gusev V., Ruello P. In situ Determination of the Optical Axis Orientation in a Single Grain Using Time-domain Brillouin Microscopy // Appl. Phys. Lett. 2025. V. 126. № 1.
  50. Chaban I., Shin H.D., Klieber C., Busselez R., Gusev V.E., Nelson K.A., Pezeril T. Time-domain Brillouin Scattering for the Determination of Laser-induced Temperature Gradients in Liquids // Rev. Sci. Instrum. 2017. V. 88. № 7.
  51. Klieber C., Gusev V.E., Pezeril T., Nelson K.A. Nonlinear Acoustics at GHz Frequencies in a Viscoelastic Fragile Glass Former // Phys. Rev. Lett. 2015. V. 114. № 6. P. 1.
  52. Gusev V.E., Thréard T., Hurley D.H., Raetz S. Timedomain Brillouin Scattering Theory for Probe Light and Acoustic Beams Propagating at an Angle and Acousto-optic Interaction at Material Interfaces // Photoacoustics. 2023. V. 33. P. 100563.
  53. Gusev V.E. Contra-intuitive Features of Time-domain Brillouin Scattering in Collinear Paraxial Sound and Light Beams // Photoacoustics. 2020. V. 20. P. 100205.
  54. Verrina V., Edward S., Zhang H., Antoncecchi A., Witte S., Planken P. Role of Scattering by Surface Roughness in the Photoacoustic Detection of Hidden Micro-structures // Appl. Opt. 2020. V. 59. № 30. P. 9499.
  55. Li C., Chigarev N., Thréard T., Zhang K., Delorme N., Tournat V., Raetz S., Lu H., Gusev V.E. Optically Controlled Nano-transducers Based on Cleaved Superlattices for Monitoring Gigahertz Surface Acoustic Vibrations // ACS Nano. 2024. V. 18. № 13. P. 9331.
  56. Gu R., Xu R., Delodovici F. et al. Superorders and Terahertz Acoustic Modes in Multiferroic BiFeO3/LaFeO3 Superlattices // Appl. Phys. Rev. 2024. V. 11. № 4.
  57. Maehara A., Nakamura N., Ogi H., Hirao M. Elimination of Bandwidth Effect in Attenuation Measurement with Picosecond Ultrasonics // Jpn. J. Appl. Phys. 2014. V. 53. № 8. P. 086602.
  58. Kim J.-W., Vomir M., Bigot J.-Y. Ultrafast Magnetoacoustics in Nickel Films // Phys. Rev. Lett. 2012. V. 109. № 16. P. 166601.
  59. Saito T., Matsuda O., Wright O.B. Picosecond Acoustic Phonon Pulse Generation in Nickel and Chromium // Phys. Rev. B. 2003. V. 67. № 20. P. 205421.
  60. Ghita A. et al. Anatomy of Ultrafast Quantitative Magnetoacoustics in Freestanding Nickel Thin Films // Phys. Rev. B. 2023. V. 107. № 13. P. 134419.
  61. Zhu T.C., Maris H.J., Tauc J. Attenuation of Longitudinalacoustic Phonons in Amorphous SiO2 at Frequencies up to 440 GHz // Phys. Rev. B. 1991. V. 44. № 9. P. 4281.
  62. Sarraf S.Y., Trappen R., Kumari S., Bhandari G., Mottaghi N., Huang C.Y., Cabrera G.B., Bristow A.D., Holcomb M.B. Application of Wavelet Analysis on Transient Reflectivity in Ultra-thin Films // Opt. Express. 2019. V. 27. № 10. P. 14684.
  63. Glinka Y.D., Babakiray S., Johnson T.A., Holcomb M.B., Lederman D. Acoustic Phonon Dynamics in Thin-films of the Topological Insulator Bi2Se3 // J. Appl. Phys. 2015. V. 117. № 16. P. 165703.
  64. Ishijima A., Okabe S., Sakuma I., Nakagawa K. Dispersive Coherent Brillouin Scattering Spectroscopy // Photoacoustics. 2023. V. 29. P. 100447.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».