Физика образования заряженных и нейтральных компонент лазерной плазмы и их взаимодействие с поверхностью твердого тела тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ
|
Опачко, Иван Иванович
АВТОР
|
||||
|
доктора физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Киев
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
1998
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.05
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
НАЦЮНАЛЬНА АН УКРА1НИ 1НСТИТУТ Ф13ИКИ
; од "
На правах рукопису
ОПАЧКОIBAH 1ВАНОВИЧ
1ндекс УДК 529.23 . 533.9 539.23
ШИКА УТВОРЕННЯ ЗАРЯДЖЕНИХ I НЕЙТРАЛЬНИХ КОМПОНЕНТ JIA3EPHOI ПЛАЗМИ ТА ÏX ВЗАбМОДШ 3 ПОВЕРХНЕЮ ТВЕРДОГО Т1ЛА
01.04.05. - оптика та лазерна ф1знка
АВТОРЕФЕРАТ дисертацп на здобуття наукового ступеня доктора ф!зико-математичних наук
Кшв-1998
Днсерташею е рукопис
Робота виконана в Ужгородському держушверситет! Мшктерства ocbith УкраТни
Науковий консультант: доктор ф1зико-математичних наук, професор. Ужгорюдський державний университет, завщуючий кафедрою квантовоТ елекгрошки
Шимон Людвик Людвикович
Офшйш опонекти: доктор ф13ико-математтгчних наук, 1н статут ф1зики HAH УкраУнн, провшний науковий спшроб)тник доктор ф13ико математинних наук, професор, Кшвський ушверситет im: Т.Г.Шевченка, зав'1дуточий кафедрою теоретично"! ф|зпки доктор фвико математинних наук, професор, 1нститут xiMii поверхш HAH УкраТни, провщннй науковий cniBpo6iTHHK
Щедрш Анатолш 1ванович
П1нкевич Irop Павлович
Покровський В]талш Олександрович
Провцша установа: 1неплут фпичноГ оптики М1шстерства Освгти УкраТни.
Захист вщбудеться ;Ж ' 71998 р. о /¿^°годиш 1
засшанш спсшалзованоТ вченоТради Д 26.159.01 при шституп ф1зики HAH УкраГни за адресою: 252650 МСП, КнТв-22, проспект Науки, 46.
3 дисерташею можна ознайомитись у б!бл'ютещ 1нституту ф'пикн HAH УкраУни
Автореферат розкланий " ¡/J&icfZO 1998 р.
Вчений секретар ' (;',
спец!ал1зованоТ вченоУ ради Ш,Г 1щук В.А.
Загальна характеристика роботи
Актуальтсть теми. Специф1чт особливосп да на поверхню лазерного випром1нювання густиною потужносп 10' + 101' Вт/см2 започат-кували його застосування в технолопТ матер ¡ал ¡в, лазершй мас-спектро-метрн, лазерному напилетн гипвок та ¡нше. При цьому велике розмаТтгя процес1В, що су про воджують взаемод1Ю лазерного пипромшювання з поверхнею твердого ттла, вимагае Тх детального досл^яжеиня, зокрема основних парам етр1в лазерноТ плазми. Це необхшно як з метою вияснення ф1зики емгсн ¡ошзованих 1 нейтральних компонент, так 1 для Тх ефекгивного застосування в сучасшй анал!тичшй техн1ш та лазерно-плазмовш технологи.
На час постановки наших експериметпв дослщження наносекундноТ лазерноТ плазми були проведет в основному для лазеров ¡нфрачервоного (14) та видимого ддапазошв. Подальша поява ефектнвиих ексимерних лазерш ультрафюлетового (УФ) даапазону та ¡мпульсно-перюдичних лазерш на самообмежених переходах з високою частотою слщування ¡мпулшв започаткували Тх застосування в м1кротехнологп та лазершй гтроекщйнш м'1кроскопа.
3 другого боку можливост1 застосування цих лазер1в далеко не вичерпанй особливо в аналггичнш техшщ та технолопТ. Внаатдок збшь-шеного (в пор1внянн1 з лазерами 14, 1 видимого д1апазон1в) початкового поглинання поверхнею УФ випромшювання ексимерних лазер1в, процес випаровування та ¡ошзащя пари проходять бхльш ефективно, що може сприяти зростанню Тх застосування в сучасних технолопях.
Високий коефвдент однопрохщного тдсилення лазера на парах мш (ЛПМ) з одного боку, а також можлив1сть досягнення ¡мпульсних густин потужностей Ю11 Вт/см2 при частотах слщування ¡мгтульав 10 кГц дае можлив1Сть створити анал1тичний прилад нового поколшня: лазерний мас-спектрометр - лазерний проекщйний м1кроскоп. Цей прилад дае змогу впуалЬувати на екраш з лшшним збшьшенням до ~104 область да лазерного випром1нювання на поверхню з одночасним п мас-спйктрометричним анализом. При цьому для мас-спектрометрп може застосовуватись як ЛПМ так 1 ¡нщий лазер. До постановки даноТ роботи частотш лазери на самообмежених переходах 1 зокрема ЛПМ для мас-спектромегри не засгосовувались. Використання ЛПМ для щеТ мети, внаслщок високоТ частота слщування ¡мпульЫв вносить своТ особливосп в • характер ¡онноТ емки, ям ранипе не дослщжувались Гяю потр!бно враховувати в лазернш мас-спектрометрц.
-23 другого боку мас-спектрометрш кр1м даних про склад поверхт, що випаровуеться, може дата шформащю про основш параметри пари, що конденсусться на поверхню при лазерному напиленш гсивок. Однак в небагатьох попередшх працях, в яких досл1Джувались властивосп шивок отриманих наносекундними лазерними ¡мпульсами, властивост! паровоУ фазк не дослщжувались. В той же час таю дослщження дають змогу визначити ряд важливих параметров конденсаци, оптим1зувати сам цей процес, привести до розумшня фвики випаровування складних мшеней.
Отже актуальшсть робота зумовлена необхщшстю внести ясшсть в ф1зику процес'т при д1У лазерного випром'шювання 14, видимого та УФ д1апазошв на поверхню для бшьш ефективного Тх застосування в технологи 1 анаштичнш техшш.
Мета роботи полягала: .
- в комплексному дослщженш ф1зики утворення юшзованих 1 нейтральних компонент, ЯК1 виникають при резонанснш 1 нерсзонанснш ди на лпшень ¡мпульсного та ¡мпульсно-перюдичного лазерного випром!нювання 14, видимого та УФ д!апазошв густиною по7ужност( 5-107^5-1012Вт/см2;
- в доошдженш основних процеав, що виникають при взаем од ¡У компонент лазерноТ плазми з поверхнею.
Наукова новизна роботи полягас в наступному:
- вперше виявлена корелящя м1ж змшою в чаа вщбивних ' властивостей обласп резонансно! I нерезонансноУ взаемодп лазерного
випром1гповання з поверхнею та динамшою 1онно1 емюп;
. - вияклеш складш кластерш ¡они, зумовлеш ударними процесами на поверхш;
- виявлеш 4 . режими ¡ошзацп (вибуховий, багатофотонний, кумулятивний та термоемхшний), зумовлеш ¡мпульсно-перюдичним характером дн випром1нювання ЛПМ на поверхню;
- виявлеш нелшшш ефекти самофокусування випромшювання ЛПМ в лазершй плазм!, що пов'язаш з виникненням еттйких структур в обласп фокусування;
- визначеш основш параметри конденсаци пари при напиленш шпвок наносекундними лазерними шпульсами I створена теплоф1зична модель процесу;
- запропоноваш та реализован! способи напилення багатошарових та складних сполук синхронними лазерними факелами.
Практична цштсть робота.. Запропоноваш:
-31. Способи отримання багатошарових, складних сполук, напилених в чистих умовах протягом одного цугу лазерних ¡мпульав.
2. Розроблена методика вщплення ¡ошв певноУ кратности заряду модуляшею поля електростатичного селектора,
3. Запропонована модель лазерного вщшарування гтвок, яка с ф13ичною основою при створенш пристрою для лазерноУ очистки ¡люм1натор1В л1тальних апарат1в.
4. Вказано на можлив!сть застосування лазерш УФ д1апазону для пошарового мас-спектрометричного анал1зу з роздшьною здатшстю по глибиш —0,01 мкм, при цьому резонансно-поглинаюча присадка дае змогу збшьшити чутливють в 5*10 раз)В.
5. Запропонований аналЬичний прилад нового поколшня: лазерний мас-спектрометр - проекцшний мшроскоп для анатзу елементного складу поверхш з одночасною В1зуал1защею обласп та процесу пробовщбору.
На захнет виносяться:
1. Результата систематичних дослщжень мае- та енергетичних спектрш компонент лазерноУ плазмн, що отримаш при дм лазерного випром!нювання густиною потужносп 5-107-гЮ12Вт/см2 на поверхню.
2. Спостережена корелящя дина\пки вщбивних властивостей обласгп взаемоди лазерного випромшювання з м1шенню 1 формою ¡мпульсу ¡онноУ емки.
3. Положения про те, що ударш хвил1 в мшеш, викликаш реакщею плазмового згустку, спричинюють зм1шену в чаа ем1сно складних ¡онних комплексов.
4. Результати мас-спектрометричних вимф1в з часовим розд[ленням 50 не динамжи ¡онноУ ем ¡с ¡Г при резонансному 1 нерезонансному поглинанш лазерного випромшювання поверхнею.
5. Дослщжгш ф1зичш особливосп ди ¡мпульсно-периодичного випром1нювання ЛПМ на поверхню. Положения про те, що в залежносп вщ часових I енергетичних параметр1в та умов фокусуваня лазерного випромшювання можуть реалЬуватись вибуховий, багатофотонний, кумулятивний або термоем1сшний режими юшзацп. Положения, що процеси взаемод11 випром1шовання ЛПМ з поверхнею можуть супроводжуватись його самофокусуванням з стжкими впродовж
100-^300 ¡мпульав макроструктурами.
6. Методики напилення пшвок одиночними або цугами наносекундних 1МпульЫв. Положения про те, що в цих процесах виршальну роль грають енергетичш спектри компонент лазерноУ плазми,
шо визначають таю основш параметра як час, швщшсть осадження, наявшсть структурних змш конденсату, його плавления та можливе ревипаровування.
7. Результата очистки ¡люмшатор!в л1тальних апаратсв лазерним винр0м1нюванням. Положения про те, що при опромшеиш шнвок через прозору пшкладку з протпежноТ сторони в 10-Н5 раз!в зростас ефектившсть \'х екстракцн в пор1Внянш з Ух випаровуванням при опромшеиш з фронту. Запропонована також модель лазерного в'щшарування.
Апробащя робота. Основш результата, викладеш в дисертаци доповиались на. м!Жнародних конференциях: Свропейськш конференци взаемоди лазерного випромшювання з матернею: 18ЕСЫМ-87, Прага, 1987 р. та 21ЕС1ЛМ-91, Варшава, .1991 р., 2-й €вропейсыай конференци по квантов1й електрошщ: Е<ЗЕС-89, Дрезден, 198.9 р., V 1нтернацюнальному симпозиум! по ф)зиш юшзованого газу. Дубровник, 1990 р., XIII М1жнародшй школ1 по квантовш електронвд, Печ, Угорщина, 1990 р., XXVII М1жнародному колокв!ум1 по спектроскош'1, Берген, Норвепя, 1991 р., III Мгжреспублшанському семшар1 по ф^зиш швидкоплинних процеЫв, Гродно, Беларусь, 1992 р., Супутнш до 16-1 М1жнародно1. конференци по оптиц!, Печ, Угорщина, 1993 р., 1\'-й М1жнароднШ конференци по магштним матер1алам 1 надпровщникам, Бухарест, 1994 р., Нацюнальшй конференшГ по ф^зищ, Слб1у, Румунш, 1994 р., МЬкнароднш науковш конференци, присвячешй 150-р1ччю вщ дня народження 1вана Пулюя, Льв1в, УкраУна, 1995 р., Семшар1 по дмпульсним лазерам на парах метал!в, Сент-Ендрюс, Великобритания, 1995 р. (запрошена доповщь), ХХ-ш Мшнароднш конференци по квантови! електрошщ 1<ЗЕС'9б, Сщней, 1996
Р-
Публ1кащ1. Основш результата дисертац'шноТ роботи опублжоваш в 35 друкованих працях 1 4 описах до винаходт, список яких приведено в юнщ автореферату.
Структура та обсяг роботи. Дисертащя складасться з вступу, шести роздшв, загальних висновкш, списку цитовано'1 лггератури з 15.6. найменувань джерел. Робота викладена на 293 сторшках (разом з рисунками, таблицями та цитованою лкературою), м!стить 64 рисунки та 12 таблиць.
Особистий внесок автора:
- запропонована, обгрунтовавна та забезпечена постановка актуальных напрямюв по дослщжрнням компонент лазерноУ плазми;
-5- особисто запропонований, обгрунтований та реализований ш'лий ряд нових методик, що виносяться на захист (методики дослижеиня фокально! плями з допомогою квантового шдсшповача яскравост! (КПЯ), отримання шаруватих структур, визначення параметров напилення птвок та ¡н.);
автор приймав безпосередню участь у створенш експериментального комплекса;
- разом ¡з сшвавторами брав участь у постанови! I виконанш вах експеримент1В, Тх обробш, обговорены!;
- автору належить провина роль в написант статей та ¡нших друкованих матер!шпв;
- в бшьшосп випадк1в особисто виступав на наукових форумах;
- сформульоваш положения, що виносяться на захист.
Основний -)М1СТ роботи.
У встут обгрунтована актуальшсть досл!джень, визначена мета роботи, вщзначена ТТ наукова новизна I практична цшшсть, сформульоваш основш положения, що виносяться на захисг, приведено шформашю про апробашю роботи та особистий внесок автора, викладено короткий зм1ст роботи.
У першому роздал розглянут1 та проанал!зован! теоретичш модел'1 найважливппих процеав, що можуть вщбуватись при л¡V на поверхню лазерного випром1нювання густиною потужносп 5-107-г 1012 Вт/'см2. Описаний нагрш поверхш ¡мпульсним лазерним випр0м1нюванням без та ¡з зм1ною н фазового стану. Розглянуто валив випаровувальноТ нер1вноважност1 на стшюсть поверхш роздьту фаз, змшу метал!чних властивостей м!шеней I генерац!ю в них ударних хвиль тд д!ею лазерного випром!нювання. Приведен! результата газодинам!чноТ теори розльоту -лазерноТ плазми. Проанамзоваш основн! мехашзми емиш заряджених ! нейтральних компонент з поверхш при 'й опромшент лазерними ¡мпульсами. Розглянуто вплив параметр!в пильного плазмового згустку на !он!зац!йний стан в рамках модел! локально! термодинам!чно'1 р!вноваги. При цьому показана роль процеав багатофотонноГ юшзацц та юшзацп при резонансному поглинант лазерного випромшювання парою. Проведено анагпз мехашзму прискорення компонент лазерноТ плазми в рамках газодинам!чно'Г модел! та розглянута роль непружних процеав у плазм!, а також електричних пол!в на границ! плазмового згустку.-Приведен! модел! в подальшому використовувались для ¡нтерпретацп отриманих експерименгальних результапв, а також для створення робочих
моделей: осадження тшвок з компонент лазерноУ плазми; лазерно'1 очистки поверхж; взаем од ¡1 цуга лазерних ¡мпульав та ¡мпульсно-перюдичного випромшювання з поверхнею.
Другой роздш присвячений опису експериментального комплексу, створеиого для досл'щження взаемодн лазерного випромшювання з поверхнею. Комплекс включав:
1) неодимовий лазер (XI060 нм, енерпя ¡мпульса 1-8-8 Дж, тривал1сть ¡мпульса 8*500 не); * • .
2) ¡мпульсно-перюдичний лазер на парах мш (ЛПМ) (А.7,.510,6; 578,2 нм, середня потужшеть 20 Вт, частота слщування ¡мпульав 5-5-8 кГц при тривалосп 20 не);
3) ексимерний ХеС1-лазер (Х308 нм, енерпя ¡мпульса 0,05*0,25Дж, грива.псть 25*35 не);
4) систему фокусування лазерного випром!нювання на М1шень;
5)вакуумну камеру взаемодн лазерного випромшювання на поверхню, а також технолопчну камеру для напнлення плавок;
6)часово-прол1тш мас-спектрометри з електростатичними ана.п1заторами та зондами для реестраци ¡онних та нейтральних компонент;
7) пристроУ для юшзашУ нейтральних компонент, ештованих з поверхш пш д5ек> лазерного випромшювання;
8) ¡мпульсну систему реестраци енгналш з виходом на пристрШ статистичного накопичення сигнал)' з виходом на ЕОМ;
9) квантовий тдеилювач яскравосп на 6аз| активного елемента лазера на парах мщ1.
Значна увага прщулена доапдженню роздшьноТ здатносп системи часово-прол1тний масч:пектрометр - електростатичний анализатор. Запролонований 1 реал!зований споаб пщвищення роздтьноГ здатност! часово-пролггного мас-спектрометра модифшащею . поля електростатичного селектора (при цьому досягасться режим часового фокусування аналопчний режиму, якнй реал1зуеться в мас-рефлектрош), сконструйований анал1 затор з подвшяим однорщним електричним полем \ зонд-детектор нейтральних компонент. Проведет доондження 1 оптим^зован! параметри фокусування лазерного випромонювання на мшень Л1Нзовими та дзеркальними об'ективами з метою отримання максимально! густини потужносп лазерного випромшювання на мшгсш.
Вперше запропонований та реалиований способ дослщжения облает) I динам!ки взасмод1У лазерного випрашгоовання э поверхнею 3 допомо-
гою КПЯ, створеного на баз! активного елемента лазера на парах мЫ з коефвдентом пщсилення ~104, часовою роздьльною здатшстю ~25 не.
Третш роздш дисертацп присвячений дослщженню юноУ е\нсн тд д1ею на поверхню випром1нговання неодииового лазера в ¡нтервал! густин потужност1 ч = 5-105• 1012 Вт/см2 1 моясливостей и застосування. Застосовувались прост! та складш мшеш.' АналЬ . мае- та енергетичних спектров показав, що починаючи з ц > 109 Вт/см2 плазмовий згусток емпу€ багатозарядш (г > 2) ¡они (Б31) з енерпями Е 5 1 кеВ. При я >101! Вт/см2 в мас-спектрах зареестроваш багатозарядш ¡они та ядра з к>лоелектронвольтними енерпями. При цьому ¡нтефальний ¡мпульс юнноУ ем!си для простих мшеней характеризуеться одним максимумом з густи-ною, що зм1нюсться в.д!апазош вщетаней М1шень - детектор Ь = Юн-100 см; п-~1/Ь3. Це вщповщае витьному без 31ткнень розльоту ем1тованих компонент на П1знш стад1У. По запропонованш методиш був визначений Ух вклад в ¡нтегральний ¡мпульс ^ ¡онноУ ем ¡с¡У, що необхино як для ¡нтер-претащУ результате взаемод1У Б31 з поверхнею так 1 для бьчьш ефективноУ Ух екстракци з плазмового згустку. Експериментатьно отримаш залежност! к1Лькост1 емпованих Б31 вщ заряду задовольняють загальнш умов!:
Ы, = К екр(-рг), (1)
де К р - константи, що залежать в1д ц 1 типу мшенк Аналп мас-та енергетичних. спектр1в вказус, що починаючи з ц > 109 Вт/см2 в Ух формування вносять вклад : пр.искорення в електричних полях на границ! плазмового згустку, рскомбшащйн! процеси; ударш процеси в м^шеш, що викликаш реакшао плазмового згустку на М1шень.
Ц1 явища особливо ч!тко спостер1гаються при опромшенш ряду складних мшеней, для яких ¡мпульс ¡нтегральноУ юнноУ ем1аУ мае багато-шковий характер. Днат'з форми ¡онного струму з роздшьною здатшстю ~50 не вказус, що перший пж утворюеться практично синхронно.з лазер-ним ¡мпульсом 1 М1стить "енергетичш" ¡они (100-И ООО еВ), що вщповща-ють складовим м!шен1 1 легким комплексам, близышм по стехюметрП" до вихщноУ мшеш. Другий (¡нод1 й третш) шк утворюеться з затримкою 200т-400 не \ м ¡стать складш кластерш ¡они з масовими числами до -3000 1 енерпями 10-5-50 еВ. Хоча незначна доля легких "енергетичних" кластерних ¡ошв утворюеться V в першому щку.
Ашипз вщбивних властивостей обласп да лазерного випромшюван-ня з допомогою КПЯ вказують, що етс\я першого тку супроводжуеться • зростанням коефвдента вщбивання зондуючого випром1нювання, а другому 1 подальшим шкам вщповшае його зменшення. Найбшьш вфопд-
ким пояснениям цього явища с те, що реактя, синхронно утвореного з лазерним ¡мпульсом пильного з шдвищеним вщбиванням лазерного випромшювання згустку, виклнкае в м1шен1 ударш хвши, якч стимулюють змшену в час! еьиаю низькоенергетичних кластерних комплексов.
В четвертому роздЫ дисертаци розглядаються особливост1 напичення шивок з компонент лазерноТ плазми. Проведеш дослцукення виявили основш параметри ¡мпульсното методу, як1 визначають мехашзм росту, структуру 1 властивост1 конденсованих гшвок (густина потужност! лазерног о випромшювання ц, товщина осадженого за ¡мпульс шару А = У[ и, де у, 1 I, швидмсть 1 час осадження; частота сл1дування ¡мпульЫв £ температура пи кладки и ). Узагальнена Д1аграма росту та структурних сташв конденсат в координатах с! 11 представлена на рис.1.
Теоретичний анатз конденсацн тнвок приводить до висновку, що досконалий кристал!чний шар може бути одержаний в двох крайшх випад-ках: або при малих ступенях активацй" атом1В та молекул, що конденсують-ся. за рахунок зростакня невелико! кшькост1 кристалтв, або при високих сту пенях актмвацн за рахунок злитгя великоУ кшькосп акгивних центр1В. Останнс реашзуеться, наприклад, при напилент гшвок "енергетичними" компонентами плазми, створеноУ наносекундними лазерними ¡мпульсами в д1апазош ц = 108*1012 Вт/см2. Характерною особливютю такого напи-лення с те, що компоненти ем!туються в тшесному куп ср, з високим коефвдентом трансформацп'енерги лазера в кшетичну енерпю компонент.
Нами запропонована модель осадження шивок з "енергетичних" компонент лазерноУ плазми, яка враховуе термал1зацпо Тх кшетичноУ енер-пУ з передачею тепла шдкладщ через теплопровщшсть. При цьому отримаш характерш вщсташ мшень - пъдкладка Ц, Ьь Ьа, що в'шповщають вщбнттю пари в1д шдкладки, штенсйвному ревипарову-ванню (травлению) напиленого шару, плавлению конденсату (рис.2).
г2
Ь.т
3РгсЕа
1
1 1« 1
2;ч Р ¡у
(2)
2Л\ рг<т.
ё
I _ I
дс кг Х2- пнтом! теплота випаровування л плавления, с, р - коеф'щкнт температуропровщносп та густина конденсату, Е„ - енерпя лазерного ¡мпульса; Е^п. Ет«. Есер - м1И1мальна, максимальна та середня енергп компонент плазми.
а,-
¡¡«г»«®»
ЗАХАЛКА НЕР!Ш08*ГЖ СТЛН13
I -
И !------ — егззА?оасгия Р1ст
О ** ■ ^ " — ■ ~ . _
ЗАРОЛХОВИЛ ?1СТ »
Р. В.о.
Н
II
Ь,
Рис.1 Узагальнена Д1аграма Рис.2 Залежжсть коеф'нпента реви. росту лазерних конден- паровування шпвок £ (1) та товщи-сат1в. ни осадженого за 1мпульс шару ё
(2) в!д вшсташ мшень-шдкладка.
IV
Таким чином, в залежносп ащ величини Ь можна видмити зони (рис.2), що вдаошдають: вшбиванню (I); ефекгивному ревипаровуванню (И); плавлению (III) та понижению температури ештакси (IV). Мас-спектрометрична диагностика пари при лазерному напиленш гшвок кр1м параметр1В, необхщних для ошнок (2), (3), (4) дае можлив!сть визначити нашрн! тиски, концентрашю пари бшя шдкладки, час осадження ошвпк, а ' також дае змогу контролювати склад напилених шпвок, його в1дпов1дн'1сть розпилюваному зразку.
Для досл1джсння нових можливостей напилення. шпвок на-носекундними лазерними ¡мпулсами з одночасним мас-спектрометричним контролем процесу були вибраш речовини, що посднують складний х1м1чний склад та шкав1 ф1зичш властивостг 1- сегнетоелектрик -наглвпров1Дник 8Ь51, 2- п'езоелектрик В^СеОго- Застосовувався неодимовий лазер з енерпею 2,5 Дж 1 тривалктю «мпульсш 25 не. Для вщетаней 2н-5 см товщини осаджених за ¡мпульс гшвок складали Ъ = 30 н-400 А 1 залежали в першу чергу ецд енерги ¡мпульса та вщегаш мшень -гидкладка. Швидк1сть осадження плавок визначалась як у« = &Тс,с 1 досягала 10**109 А/с для 8ЬБ1 та 106 -г 108 А/с для В^веОго - шйвок. Нашрш тиски на тдкладку визначались як р - ч^б/г^), де усср - середня швидюсть компонент 1 складали р = 1*100 атм. Денсйтометричний анал'п товщини напилених на р1зних вшетанях Ь шйвок вказус на в^дхилення В1д закону <1 - 1/Ь*, при Ь = 2 4 3 см, що евщчить про Ух ревипаровування 1 ямсно пцтгверджуе (3), (4). Ефект ревипаровування значно зростае при пщвищенш ц до ~Ю10 Вт/см2 1 шдтверджуеться електронними м1крофотографшми напилених на скол КС1 шавками. Подальше зроствння Я приводить до крапельного викиду речовини, тому що 'и конденсацк може вщбуватися при газадиналичному розишренш плазми без участ! пщкладки. Мас-спектрометричний та рентгеноспектральний анализ подтвердив виповщшеть складу шйвок хш1чному складу мшен1. В загальному, умова отримання сущльних досконалих гшвок за допомогою наносекундних лазерних . ¡мпульав, яи забезпечують вибухове випаровування мшеш 1 стехшметрио конденсату, визначасться параметрами: ч, (1, с!/!«;, Ц а також температурою подкладки I. Ц1 величини пов'язаш з параметрами плазми, як! в свою чергу можна контролювати ] оптим1зувати по запропонованш мас-спектрометричшй методиш.
Вибухове випаровування мшеш наносекундними ¡мпульсами хоч 1 дае вщтворюваш та штерпретоваш результата, але сам процес менш ефективний по ктькоспз випареного матер1алу в пор!внянш з режимом мшеекундних ¡мпульс!в, ям викликають, ' в основному, термине випаровування. Для збтьшення ефективносп процесу випаровування, збер1Ппи його вибуховий характер з уами перевагами, нами було запропоноване опромшення м!шеш перюдичким цугом субнаносекундних ¡мпульав. Умовою вибухового випаровування с релакеащя температури м1шеш в м1Жцуговий перюд до величини, що виключае терм1чне випаровування. Наближений розв'язок нестационарного р1вшння теплопровщносп з квазшерюдичними початковими умовами дав змогу
отримати критерш вибухового випаровування м1шеш веша N0 ¡мпульсами в цузк .
де х, Т - тривал!стъ ¡мпульса I самого цуга вишов1Дно.
Напилення шпвок Ах^Бед проводились лазерами, що працювали в рпиих часових режимах з одночасним мас-спектрометричним контролем параметр!В осадження ! складу конденсату.
Анашз отриманих конденсате показав, що при я >1010 Вт/см2 кр!м чистого вибухового випаровування ¡снуе крапельний викид речовини, зумовлеяий ударними процесами вмшеш. В Д1апазон\ Я = (1+5)108 Вт/см2 досягаеться чисте вибухове випаровування як для моношпульса так ¡ для цуга N0 = 10 ¡мпульсш. Недотримання умови (5) приводить до виникнення одночасно двох режим1В випаровування: вибухового 1 терм!ЧНого. Деяке зменшення <1 у в1дповщносп з (4) викликане ревиларовуванням. Подальшим роз витком вибухового методу було запропоноване напилення плавок г багатокомпонентноГ системи \ иросторово розиессних лазерних факел!в. Тут можлив] два вар1анти: 1) напилення ¡з специально препарованоГ порошковоТ м1шеш; 2) напилення з декшькох синхронно створених на рЬних мшенях факел1в.
Була досл!джена можливють створення гшвок халькогенЫв кремшю 51х8|„ Б^еь*, 51)сРе1.* при реал13ацп запропонованих способш. 3 точки зору оптим1зашГ ч вар1ац» режмшв випаровування бшьш гнучким е 2-й спос|б. При такому напиленш (наприклад для двох синхронних факел1в) компонент з атомними часами 1 ц2 Тх вщносний склад в залежносп вщ в1дстаией мшень - пщкладка Ьг, зпдно запропонованоГ та експериментально шдтвердженоТ формули:
{
т1 айв, щ соза}
(6)
де т'ь Ш2 - маси випарених за шпульс компонент.
Реал1зацкю вибухового випаровування цугом ¡мпульав е запропоноване нами напилення перюдичних структур в зм1щених на рпш вЦщал! Ц,... Ь„ синхронних лазерних факел1в. При дотриманш умови (5) можливе досягнення на цих мшенях вибухового режиму з Ы0 ¡мпульс!в. Синхронно створеш компонента з лазерних факелов не
перекриваючись почергово поступають на шдкладку, створюючи псрюдичну структуру з шар1в.
Запропонований способ був реагпзований при напиленш дво-компонентноУ перюдичноУ структури Б^КЗ. Недотримання умови (5) приводить до розмиття граничь м)ж шарами. Яюсть структури контролювалась методом юн-фотонноУ спектроскоп)). Отриман1 структури бомбардувались ¡онами Аг\ а Ух травлення та чистота напилених шар!в контролювалась по св1ченню спектрально") лшГУ5ПЯ288,2 нм 1 наявносп в спектр) лшШ домпиок.
Був дослоджений також процес зворотшй до напилення - очистка забрудненоУ поверх)« ¡люмшаторов л)тальних апарат>в при и опромшенш лазерним випромшКжанням з внутрошньоУ сторони. Для очистки попередньо напилених С та "Л гшвок застосовувались наносекундш лазери 14, видимого, УФ д)апазошв (неодимовий, ЛПМ та ХеС) лазери), Використовуаався д1алазон густин потужностей ч -=108*3-]09 Вт/см2 , верхня межа якого зумовлена початком руйнування матер!алу шюмшатора (кварцове скло) при я = 5»Ю9 Вт/см2. Наперед зауважимо, що процес носить нетепловий характер.
Для пояснения експериментальних даних була запропонована модель екстракщУ гшвок, яка включас стада: нагр'тання гипвки -УУ терморозширення - початкове вщшарування - часткове випаровування з тильноУ сторони - зростання тискупари р в об'ем) М1Ж поверхнею скла \ )1л1вкою - розрив в)ДшарованоУ шивки -в^дльот фрагменте. В рамках модел) розрив опромшеноУ дшянки рад>уса Я вщшарованоУ пл)вки товщиною Ь, починаеться за умови:
(7)
де а - межа мщносп плавки К - безрозм1рний коефщкнт. При цьому для оптимцованих ч максимальна товщина екстрагованоУ пл1вки Ь ~ Е„1,7с'1я I досягае 10 * 15 мкм, зростае ¡з зменшенням довжини хвши лазера. Кшьюсть видалених атом'ш N - Е3'2 , а ефектившсть екстракцГ) Ы/Ел ~ Ел' *, шо тдтверджуеться експериментальними вим!рами. Середня енерпя, необхшна для екстракц'и одного атома тивки, в 2 * 3 рази менше в1дпов')дних енерпй зв'язку атомов, що с додатковим пштвердженням коректност) модел) 1 св)Дчить про нетепловий характер процесу.
П'ятий роздьл присвячений дослшженням резонансноУ та не-резонансноУ дГУ ексимерного лазера на поверхню. Виконаний цикл
вдосконалень сприяв тдвищенню енергетичних \ ресурсних характеристик газорозрядного ¡мпульсно-перюдичного ексимерного ХеО - лазера, оптимповаш умови збудження робочо'1 сум1ш1. Створений малогабаритиий ексимерний лазер з параметрами кЗО8 им Е„ = 0,25 Дж, тл = 20 * 50 не давав можливють отрймувати значения густини потужност! сфокусованого лазерного випромшювання в межах q = 3-Ю7 -г 5-Ю10 Вт/см2. Особлив1сть ди випр0м1нювання ХеС1 лазера на поверхшо полягае в тому, що енерпя його кванта випром1нювання ствпадае з енерпею переходу ЗР^-ЗОзя АН, що викликае його резонансне поглинання парою, а величина енерп? 4,03 еВ робеть ряд процеЫв у плазм! бьчьш ефективними, що в свою чергу приводить до зменшення оптичноТ товщини плазми, зростання ефективност} випаровування 1 трансформаци енерги випром^нювання в ударш хзши.
Особливое^ ди лазерного випром!нювання доаиджувались з допомогою зондовоТ та мас-спектрометричноУ методик. Нейтрально компоненти рееструвались методом Тх ¡ошзацц електронним пучком перед зондом або входом електростатичного селектора. По запропонованш нами методищ область дн випромшювання ХеС1 лазера на мишень з допомогою КПЯ на баз! активного елементу ЛПМ спостер1галась на хвши /.510,6 нм з часовим роздшенням - 25 не. Враховуючи результати мас-спектрометричних та зондових вим1р1в з застосуванням модиф1ковано'Г модел1 розвинутого випаровування був визначений ряд параметр^ плазми в фокальшй области (юльюсть виларених атомЬ, концентращя, тиск б ¡ля поверхш, степень ¡ошзащУ, коеф^щент трансформащУ енерпУ лазерного випром!нювання в кшетичну енерпю ем!тованих компонент). Починаючи з ц 2 109 Вт/см2 для простих мииеней С, А1, ¡мпульс
¡нтегральноУ юнкоУ емки мае два максимуми, нав!дмшу в|'д випадку опромшення них мшеней неодимовим лазером з такими ж густинами потужност!. Досл1Дження динам!ки ¡ошв, що вщповщають цим шкам ¡нтегральноГ ¡онноУ ем ¡с ¡У, з допомогою мас-спектрометра з часовим роздшенням -50 не показують, що . енергетичш ¡они першого гика утворюються практично синхронно з лазерним ¡мпульсом в той час, як ¡они другого тку емггуються з затзненням 150 + 500 не по вщношенкю до лазерного ¡мпульса \ викликаш ударними процесами в м1шеш (Рис.З).
. Ощнка параметров ядра плазмового згустку 1 мас-спектрометричт експерименти, проведен! при опромшенш тонких мшеней з фронтально!' 1 тильноУ сторони. дають змогу стверджувати, що ем1с1я другого тку викликана ударними процесами в мшеш. Шдтвердженням цього факту е
те, що коефщкнт трансформацп лазерного випронинювання в ударну хвилю зростае при переход! з 14 та видимого в УФ д1апазон спектру.
Вперше з допомогою К11Я дослщжена кореляцш динамики юнноУ ем1сп \ вщбивних властивостей обласп взаемодп лазерного випромшювання з мшенню. При цьому для А1 шшеш' можливе' резонансне поминания парою з лосгпдуючим перевипромшюванням. Розрахунки для цього випадку дають залежносп вш часу характеру юнноУ' емюТ, а також температура 1 концентраци ядра плазмового згустк>' з двома максимумами. Останш параметри впливають на динамику вщбиваючих властивостей плазми. У випадку нерезонансно поглинаючоУ С-мшеш маемо вщповщш залежносп ем1сп та динам1ки змши парам етр1в плазми з одним максимумом.
н !/ С; ('б Д|г.М»)-401>НС | * * А П.> и>.__
Рис.3. Мас-спектри ем1тованих компонент при з = 109 Вт/см2
а) Графгтова мшень: 1 - пл!вка (1,5 мкм), опромшена з тильноУ сторони; 2 - масивна мишень;
б) Алюм1шева мшень: 1 - ошвка (0,5 мкм), опромшена з тильноУ сторони; 2 - масивна м!шень; 3 - масивна мшень (додаткова ¡ошзащя електронним пучком).
Рис.4. Залежшсть Унтенсивносп вшбитого в апертуру КПЯ випромшювання (1, 2) та струму емггованих з плазми ¡ошв (3, 4) в'щ часу затримки щодо лазерного ¡мпульсу 5. (1, 3) - нерезонансне поглинання С -м)щеш)Ю, (2,4) - резонансне поглинання А! - маиенню.
На рис.4 представлена кореляшя динам! ки зм!ни вщбивних властивостен плазмового згустку з !онною ем^аею при резонансному 1 нерезонансному поглинанш лазерного випром!нювання. Проведен! експерименти продемонстрували можлив1сть застосування КПЯ для досл!дження вщбивних властивостей облает! взасмод!У лазерного випромшювання з роздьленням у час! - 25 не. При цьому виявлено складний механ!зм ¡0111101 ем!см, спричинений рад!ашйним нагр!ванням м!шен! з боку плазмового згустка, а також ударними процесами в мшет. Ц! процеси хоча й обмежують роздшьну здатшеть лазерного часово-прол!тного мас-спектрометра, але можуть служити додатковим джерелом шформацп про м!жатомн! зв'язки в структур! поверхнь Важливим аспектом лазерноУ мас-спектрометр'м г роздмьна здатшеть по гамбит, яка, в принцигп, обмежуеться минмалышми значениями глибини проникнення свЬловоУ хвшн та глибиною поширення створено! на поверхн! тепловоУ хвил!. Останню величину можна зменшити вар!ац!сю ц та трнвал!стю лазерного ¡мпульса. Таким чином роздЬпьна здатн!сть обмежуеться глибиною початкового поглинання лазерного випром!нювання, яка для биьшост! матер!ап!в зменшусться з X! для X - 0,3 мкм складае 0,01 мкм.
В диапазон! я = 107 ч- 10е Вт/см2 доапджувалась пор'тняльна розд!льна здатжеть по глибин! при застосуванн! 14 неодимового та УФ ексимерного лазер!в. Як зразок .використовувалась кремшева пластинка з ¡мплантованим миш'яком. При випаровуванн! ХеС1 лазером (>.308 нм) з я = 7-107 Вт/см2 досягнута розд!льна здатшеть 0,01 мкм в пор'тюипи з випадком випаровування неодимовим лазером (XI060 нм) з я = 108 Вт/см2 коли роздшьна здатшеть складала 0,1 мкм. Збшьшення глибини проникнення (попршення роздшьноУ здатносп) при застосуванн! неодимового лазера пов'язане !з збшьшенням глибини початкового проникнення лазерного випром1нктання. Отримана з допомогою ХеС! лазера концентрашйна залежн!сть вщ глибини узгоджуеться з характерним паспортним концентрат йним профшем !онно-!мплантованих домшок. Середня сгепшь ¡ошзацГУ пари при опром1ненн! м!шеней ХеС1 лазером з я = (2-^3) 107 Вт/см2 складас а = 10"4 -г- 10*\ що в 10 100 раз!в перевищуе стегпнь 1он!зац!"1" для неодимового лазера. Враховуючи чутлив!сть ресструючоТ сисгеми цс шдпошдас граничит концентрац!йн!й чутлииосп 10'8%. Пор!вняно висок! значения а не можна пояснити процесом термо'юнно'! ем!сп з врахуванням температур опромшеноТ поверхн!.
Р!вняння Ленгмюра-Саха дае значения на 2. * 3 порядки нижчь Таю значения а можна пояснити двохфотонними проиесами в пол'| лазерного випромшювання з енерпею кванта 4,03 еВ, а у випадку А1 мшеш ще й резонансним поглинанням. При я 5 108 Вт/см2 енергн елптованих компонент складають одинищ електронвольт, що свщчить про вщсутшсть газодинам1чного прискорення 1 дае можлив1СТЬ в конструкци мас-спектрометра вщмовитись в1д електросгатичного селектора \ тим самим тдвищити його чутлив!сть. Починаючи з ч > 5-108 Вт/см2 опромшення мшеш приводить до появи плазмового згустку, енерпя ¡ошв зростае до десяткт еВ, в мас-спектрах появляються в1д'смш ¡они, утвореш в рекомб1нуюч!Й розльотнш плазм!. При пошаровш мас-спектрометрп складних мшеней (забруднених поверхонь з М1д1, алюмщЬо, фторопласта, стал1, що перебували в агресивному середовипу камери ХеС1 лазера) зафшсоваш атомарш однозарядш ¡они забруднень, та найпростшг молекулярш ¡они - фрагмента сполук.
Для збшьшення чутливосп лазерноТ мас-спектрометрп запропонована та реаппована ¡он'пашя з допомогою ¡мпульсних емггерш електронш: I) магниевого фотокатоду; 2) оксидного термокатоду; 3) лазерного термокатоду; 4) лазерно-плазмового А1-катоду, а також з допомогою лазерно-стимульованого в1стряного розряду та рсзонанснопоглинаючоГ добавки А1 в мшень. Додаткова ¡ошзащя ефективно може застосовуватнсь в приладах для яккного експрес-анагпзу.
Шостий розд'|л присвячений першим експериментальним дос/пдженням ешс'п юшв пи д!ею • ¡мпульсно-перюдичного випромшювання ЛПМ на поверхню твердого .тша (виясненню основних мех;ш1зм!8 ¡онЬахдп, доашдженню особливостей ¡онноУ емюи та деяких супутшх Тм ефекпв, що виникають при фокусуванш випром1нювання ЛПМ на поверхню) з. метою розширення д1апазону застосування ¡мпульсно-перюдичних лазер'т, в тому числ1 в лазернш мас-спектрометр11.
Створений нами ЛПМ з середньою потужшспо 15 * 20 Вт, побудований по схем!: задаючий генератор з нестшким резонатором -шдсилювач потужносп. Значна увага була првдшена покращенню ефективносп збудження активних елеменпв, отримано анал1тичний вираз для к.к.д.зарядки накопичуючих емностей, апробовано п'ять вар1антш схем збудження активних елемент1в.
В перших експериментах по ¡ошзацн поверхш твердого тша випр0м1нюванням ЛПМ застосовувався лазер з енерпею в ¡мпульс11 мДж, осередньою потужшспо 7 Вт, густиною потужносп Ю10 Вт/см2. Як мшень
використовувалась таблетка з С, А120з, ¿Юг'сумнш. В мас-спектр! були зареестроваш додатш однозарядш ¡они, що вщпов>дали елементному складу мшеней, а сам прочее випаровування та ютзацн носив вибуховий характер, аналопчний ди шших титв ¡мпульсних лазер1в. Щоб забезпечити витворюванмй режим юнЬаип шшенъ оберталась з одночасним поступальним р'ухом.
Але ¡мпульсно-перюдичний характер (з високою частотою слшування « 104 Гц) випром1нювання ЛПМ вносить сво! особливосп в ем>С1Х>, як! зумовленк 1) високою середньою м1ж!мпульсною температурою поверхш1 пов'язаною з нею неперервною складовою потоку часток; 2) утворенням кратеру 1 пов'язаними з цим кумулятивними процесами при розширенн! утворено» плазми.
Високий однопрох1Дний коефипент. шдсилення активного середовища ЛПМ може спричинитн шдсилення вшоитого ви мпиеш ' випром1нювання, що приводить до його модуляцн 1 збшьшення ¡мПульсноТ потужностг 3 шшого боку, високий коеф'пиент пщеилення ЛПМ дас можлив!сть застосувати його не тшьки для випзровування та ¡ошзацн поверхш, але \ як шдсилювач ясхравосп для спостереження за облаетю \ процесом взаемодн ЛПМ з поверхнею. З'явилась ункальна можлив^сть сумютити в одному прилад! мас-спектрометр та лазерний проекцшний м!кроскоп. Запропонована ! створена нами система давала можлив!сть досл1джувати шнну ем^аю пи -д1сю ЛПМ (або шшого лазера) з синхронною (або змвденою в час!) В1зуал!защею облает! та самого пронесу пробов1дбору.
Вже перип дослщження, проведен! з допомогою створено!" системи, при Д11 випр0м)нювання ЛПМ на графЬ виявилн у фокальнШ плям1 стшх) просторов! структуры розм!рами 5-^-10 мкм з пщвищеними вщбивними властивостями, ям ¡снують впродовж 10г + 103 лазерних ¡мпульЫв. Завдяки нелшшним поглинальним 1 вщбивним властивостям плазмового згустку виникае ефект "плазмового дзеркала" (який рашше в прадях шших автор1в с постер ¡гався для потужних СО: - > твердотшьних лазеров) -■ шдсилення активним елементом в!дбитого лазерного випромшювання. В наших експериментах лазерна проекшйно- микроскопична В1зуал!зацдя пронес у ероз'п поверхш з одночасною ресстращоо юнного сигналу дала змогу вперше виявити кореляшю збшьшення виходу ¡ошв в режим! "плазмового дзеркала" з появою стшких впродовж Ю3 н- Ю3 ¡мпулмпв яскравих ниткоподШних областей розшрами 1 т 2 мкм. Поява таких стабшьних м!крообластей пов'язана з встановленням локальних
неоднор1Дностсй температур« в м!ж1мпульсний перюд 1 пов'язаними з ними неоднОршностями розпод^лу "затравочних" термоелектрошв, що викликають додаткову юшзащю згустку на початковш стадп лазерних ¡мпульив I, як результат, утворення ниток самофокусування з електронною концентрацию * 51019 см'3.
Розглянемо особливосп ¡онноУ емюУ, пов'язаноУ з умовами фокусування та ¡мпульсно-перюдичним характером випромшювання ЛПМ. Геометр« опромшення та вшповшш мас-спектри 1 форми ¡мпульЫв ¡онних струм1в представлеш на рис.5. Нами видьпеш I класиф1коват чотирн основних режими ¡отзацп:
а) "вибуховий" режим, реалЬуеться при опромшенш гостросфокусованим на м»шень випромшюванням плоско! д1лянки мшеш, положения якоУ сканусться;
б) "багатофотонний" режим, який реал1зуеться при розмшенш каустики лшзи на 1 + 3 мм перед поверхнею. В юшзашю вносять вклад багатофотонш пронеси в потош пари, шо перетинаеобласть з максимальним значениям ц;
в) "кумулятивний" режим, викликаний однойменними процесами в* утворенш ~104 ¡мпульсами вйронш;
г) "вибуховий" з термоешсШним: режим, що реалЬусться при опромшенш плоско! мшет без змшн положения фокальноУ плями, викликаниЯ установлениям високоУ ьижшпульсноУ температура.
X
1 5*1С
кг оо
с + 4 5*10 Вт/см1
Рис.5 Режими опромшення М1шеш ЛПМ I вщповщш Ум мас-спектри.
Наведет вище режими характеризуються якгсно р13ною залежшстю в1дносного виходу ¡ошв К, в1д густиии потужносп ч- Для "внбухового" режиму ЭД ~ я°'5, аналопчно як для неодимового та ексимерного лазер1в. При "багатофотонному" режим1 появляеться нелшшна добавка ~ ц41""1*. Кумулятивний режим характеризуется сильною залежшстю штенсивност! ем!с]1. В1д кута м1ж поверхнею м1шеш та напрямом лазерного випром1нювання. В емю1ю вносять суттсвий вклад складш кластерш ¡они С„\ включаючи фуллерени Сбо\ хоча там ¡они в тШ чи шшш М1р1 присутш при вс¡x режимах. Вибуховий з термоемкшним режим характеризуется появою описаних вище м1кроструктур в фокальной плям!, термоемюею нейтральных компонент в м!Ж1мпульсний перюд. Енерги юшв С', С"*, Сг* при ц = 1010 -г 10й Вт/см: займають ¡нтервал Е = 3 -г- 80 еВ 1 в режимах а), б), г) енергетичж спектри мають один максимум. В режиш в) на спектр ¡ошв накладаються додатков1 "кумулятивш" максимуми з енерпями 40 + 50 еВ, шо евщчить про як!сно вщмшний кумулятивний мехашзм Ух прискорення. Для ¡нтерпретаци режимов юнозаоуУ, та ефектов пов'язаних з гострим фокусуванням ¡мпульсно-перюдичного вилромнаованкя, необхшш дан! про диналпку встановлення м!ж1мпульсноУ температуря фокальноУ плями. Нами отриманий аналточний вираз для приросту температур» Т в кшц! мЫмпульсного периоду, який визначався як сума розв'язюв стацюнарного I несташонарного р1вняння теплопровод-носп для ¡мпульсноУ [ середньоУ потужност» лазерного випромо'нювання: Р
Г = -
де Р - середня потужшеть лазерного випромшювання; К та % - коефш1енти тепло- та температуропровишосп; 1п - мгж1мпульсний ¡нтервал; Ио - рагиус фокальноУ плями (Рнс.б). Починаючи з Я < (умова гострого
фокусування), в1дбуваеться тривимфна передача тепла в1д фокальноУ плями до масивноУ мшеш, а зхтежносп досягають свого асимптотичного значения:
Т !
(9)
В цьому випадку шеля включения к ¡мпульав лазера мЬшмпульсна температура Тк зростае по закону:
Tt
I«-
(10)
0.01 0.1 1 R, мм loT
Рис.6. Нормований на одиницю середньо'1 потужносп поглинутого лазерного випром1нювання Т/Р приест температури в центр! фокально!' плями (крив! 1,2,3,4 для графгговоУ, S, 'Ge, Si мшеней вщповцшо).
Рис.7. Динамика росту концентрашТ компонент С, С2 (1, 2) та вщносний вихи ¡он1в С'.Сг* (3,4) в!д к1лькосп лазерних ¡мпульс1в к. В цьому випадку nieяя включения к ¡мпульав лазера мЫмпульсна температура Тк зросгае по закону (10) i досягае свого асимптотичного значения через k « 105 ¡мпульав.
Експериментально запежтсть (8) псрсворялась по скачку 'коефшента вшбивання при температурах фазових переходе поверхш мшеш та впроваджених др^бнодислерсних домшок, який спостер!гався з допомогою КПЯ.
Залежшсть (10),° що описуе динам1ку росту М1жшпульсноТ температури зручно псрсы'рити по зростаиню тиску насиченоТ пари С, С2,
який в свою черг>' визначас !нтенсивн!сть ¡онних компонент (рис.7). Кореляшя м1ж кривими 2 ! 4 вказус на коректшсть (10), а також на тдловшальшсть режиму "б" за утворення ¡онш С2\
Проведен! експерименти дали можлив1сть застосувати ЛПМ для лазерноТ мас-спектрометрп, дослщити ряд нових ефешв, притаманних ¡мпульсно-першдичшй Д1У наносекундного лазерного випромшювання на поверхню, запропонувати анал1тичн1 залежносп для динамши змши «¡жшпульсноУ темиератури, створити макет аяал!тичного приладу нового поколшня лазерного мас-спектрометру - проекщйного м1кроскопа.
У висновках сформульоваш" основш результата дисертацц":
1. Створений багатошльовий експериментальний комплекс , якин дас можлив!сть дослшжувати компонента плазми, утвореноУ дкю на поверхню випромшювання 14, видимого, УФ д1апазошв густиною потужност! 5-Ю7 -4- Ю1: Вт/см2. Розроблена методика досл!дження в1дбивних властивостей облает! взаемод» лазерного випромшювання з по верхнею з допомогою квантового пщеилювача яскравосп (КПЯ) на баз! активного елемента лазера на парах М1'д! (ЛПМ) з часовим роздшенпям 25 не. Запропонована та реалпована методика покращення роздшьноТ сили лазерного мас-спектрометра корекшею поля електростатичного селектора.
2. На основ! систематачних дослщжень мае- та енергетичних слектрш компонент лазер но I плазми, а також динамики в!дбивннх иластмвостей фокалыюУ плями вивчена резонансна 1 нерезонансна Д1я випромшювання ексимерного ХеС1 лазера (2.308 нм) на поверхню. При дп иипромшювання на резоиансно-поглинаючу А1-М1шень ¡мпульси ¡онноТ ем1с!Т мають два максимума, зумовлен! динамкою поглинання випромшювання в цельному ядр1 плазмового згустка.
3. Починзючи з густин потужност! я ;> 10* Вт/см2 при резонансному й нерезонансному логлинанш лазерного випромшювання реакшя плазмового згустку збуджус в мшен! ударш хвил!, як! в свою чергу внкликають зм!шену в час! ем!Ыю низькоенергетачних кластер!в.
4. При д'п на поверхню ¡мпульсно-перюдичного випр0м1нювання ЛПМ в залежност'| в!д Його часових ! енергетичних параметр!в та умов фокусування можуть рсал!зуватись вибуховий, багатофотонний, нумулятнвний, термоемюйний реж'ими ¡он13ацп. При цьому для частот слшування !мпульс1в Г к 8 + 10 кГц процеси ¡онпацп супроводжуються самофокусуванням лазерного випром!нювання з ст!йкими впродовж 100 н-300 ¡млульеш просторовими м1кроструктурами. Гостросфокусоване
випромшювання ЛПМ приводить до встановлення кшцевого значения .«¡жшпульсно! температури, яке практично не залежить вш розмф1в фокально! плями. Запропонована теоретична модель описуе динам¡ку характеру росту м1Ж1МпульсноГ температури 1 шдтверджуеться експериментом.
5. При напилен» шивок компонентами наносекундноТ лазерно'Т плазми найважлив1шими параметрами, що визначають х1д процесу с енергетичш спектри емпованих часток та Тх юшзацшний стан, вщстань мшень-пщкладка та температура останньоУ. Створена теплоф1зична теорш процесу осадження дае змогу визначити характерна вщсташ м1шень-шдкладка, що вщпов1дають початку плавления конденсату, ¡нтенсивному ревиларовуванню шнвокта травлению тд- кладки.
6. Запропоноваш способи напилення з синхронних лазерних факел1в багатошарових 1 складних по х'1м1чному складу плавок, реалповаш на приклад1 перюдичноУ БьБЮ структури, а також шивок ряду складних речовин. Виведений критерш вибухового випаровування мшеней цугом лазерних ¡мпульав, що дае змогу ефективно реагпзувати щ способи в м!кропл1вковш технолога.
7. Дослшжувалась лазерна очистка шюмшатор1В з використанням лазер1в 14, видимого та УФ д1апазонш. На приклад! С та "Л гоивок, напилених на кварцев! пщкладки показано, що ефектившстъ Тх екстракцп
— -Б"2 при опром! ненш з внутр'шшьоУ сторони через ¡люмшатор в 15 * 20
£ . • *
разт перевищуе ефектившсть Ух випаровування з передньоУ поверхш. Створена модель лазерного термовщшарування з наступним вщривом пояснюе отримаш експериментальш залежносп 1 може бути використана при розробщ пристрою для лазерноТ очистки прозорих поверхонь. Список публкацш автора з теми днсерташТ.
1. Опачко И.И., Лукша О.В., Запесочный И.П., Поп С.С., Фирцак Ю.Ю. Особенности получения пленок сложного соединения с помощью гигантских лазерных импульсов//УФЖ. - 1977. -Т.22.-№4.-с.659-663.
2. Опачко И.И. Особенности использования лазерной плазмы в физических экспериментах И УФЖ. - 1979. - т.24. - №6. - с.766-773.
3. Опачко И.И. Особенности использования многозарядных ионов лазерной плазмы для изучения их взаимодействия с поверхностью твердого тела // ЖТФ. - 1979. - т.49. - №6. - с. 1759-1761.
4. Опачко И.И. Особенности конденсации пленок компонентами плазмы,
• 9 '
созданной наносекундными лазерными импульсами // ЖТФ. - 1981. - т.51.
- в.2. - с.439-442.
5. Кельман В.А., Климовский И.И., Коноплев А.Н., Опачко И.И., Селезнева J1.А., Фучко В.Ю. Релаксация метастабильного 4S2D5/; уровня атома меди в послесвечении импульсного разряда в лазере на парах меди // Квантовая электроника. - 1984. - т. 11. - № 11. - с.2191 -2196.
6. Опачко И.И., Шевера B.C., Ворошок П.А., Селищев ПЛ. Исследование усилительных характеристик активной среды лазера на парах меди при низких входных сигналах // УФЖ. - 1986. - т.31. - №1. - с.40-43.
7. Качер И.Ю., Опачко И.И., Риган М.Ю. Испарение тройных соединений CdGa2S(Se)4 под действием импульсного лазерного излучения П УФЖ. -1989. - т.34, - №11. - с. 1728- 1732.
8. Опачко И.И. Эффекты взаимодействия наносекундного импульсно -периодического излучения с поверхностью, наблюдаемые с помощью лазерного проекционного микроскопа Н ТВТ. - 1989. - т.27. - №5. - с. 10201023.
9. Opachko I.I., Shimon L.L. Interaction of CVL radiation with surface of solids // SP1E-2110. - 1993. - pp.250-267.
10. Белокриницкий H.C., Шимон Л Л., Малинин А.Н., Опачко ИЛ., Шкоба Б.В., Добош В.М., Хомяк БЛ. Диагностика газоразрядного импульсно-периодического малогабаритного ХеС!-лазера с HCI и ВС1з галогенными донорами. // Квантовая электроника. (Сборн. научных трудов АН У крайни). - К: - 1993. - №45. - с. 30-37.
11. Опачко И.И., Шимон Л Л. Взаимодействие излучения лазера на парах меди с поверхностью твердого тела // УФЖ. - 1994. - т.39. - №2. - с.221-226.
12. Малинин А.Н., Шимон Л Л., Опачко И.И., Белокриницкий Н.С., Хомяк Б Л. Влияние температуры окружающей среды на работу XeCl-лазера И Квантовая электроника (Сб.научлр. АН Украины). - К: - 1994. - в.46. -с. 104-106.
13. Малинин А.Н., Шимон ЛЛ., Опачко И.И., Добош В.М., Хомяк Б.Я. Повышение энергии излучения и ресурса работы малогабаритного газоразрядного импульсно-периоднческого эксимерного ХеС1-лазера // Квантовая электроника. -1994. - т.21. -№12. - с.1174-1176.
14. ManiHiH О.М., Шимон ЛЛ., Опачко 1.1., Добош В.М., Хом'як Б Л. ФЬико-Х1м!чн1 можливос-ri п1двищення енергетичних та ресурсних характеристик малогабаритного газорозрядного ¡мпульсно-пер1одичного ексиме^зного ХеС1-лазера //УФЖ. - 1995. - т.40. - №3. - с.194-197.
15. Opachko 1.1. A study of the dynamics of resonaint and nonresonant action of excimer laser radiation on a surface using a quantum brightness amplifier based
- -24-
on a coppcr-vapour laser// Journal of Russian Laser Research. - 1996. - v.17. -No4. - pp.406-408.
16. Opachko 1.1. Interaction of CVL radiation with solids: application to mass spectrometry // NATO ASI Séries Publised Métal Vapour Lasers. - Kluver Academic Publishers. - Dordrecht /Boston/ London. - 1996. - Ser 1. - v.5. -pp.441-444.
17. Опачко 1.1., Шимон Л.Л., Хом'як Б Я. Динашка îohhoï eMiciï при резонансному i нерезонансному поглннанн2 лазерного випром1нювання плазмою на поверхш твердого тиа // Журнал ф!зичних дослщжень. -1996. - тЛ. 'Nsl. - с.46-51.
18. Белокриницкий Н.С., Добош В.М., Малинин А.Н., Опачко И.И., Хомяк Б.Я.. Шимон ЛЛ., Шкоба Б.В. Лазерная масс-спектрометрия поверхности конструктивных элементов ХеС1-лазера // Тезисы докладов 111 Межреспубликанского семинара. - Гродно. - 1992. - с.23.
19. Бродин М.С., Запесочный И.П., Маслюк В.Т.,
Опачко И.И., Блонский И.В., Гоер Д.Б. Способ создания активного элемента перестраиваемых генераторов и датчиков ИК-субмиллнметрового диапазона // Авторское свидетельство СССР № 188537 от 11.05.1983.
20. Запесочный И.П., Опачко И.И., Маслюк В.Т. Способ создания периодических структур // Авторское свидетельство СССР №220907 от 25.06.1985. .
21. Маслюк ВТ„ Опачко И.И., Дойников Л.И. Способ получения халькогенидов кремния // Авторское свидетельство СССР №1401938 от 8.02.1988.
22. Шкоба Б.В., Опачко И.И. Устройство для возбуждения импульсной газоразрядной плазмы // Авторское свидетельство №1671134, от 15.04.1991.
23. Опачко И.И., Запесочный И.П., Лукша О.В. Характеристики пара при лазерном напылении тонких пленок сложного соединения // Сб.: Структура и физические свойства тонких пленок] - Ужгород. - 1977. -с.120-121.
24. Опачко И.И., Запесочный И.П., Поп С.С. Корреляция между максимально наблюдаемой кратностью заряда многозарядных ионов лазерной плазмы и ее непрерывным рентгеновским излучением // Сб. "Прикладная спектроскопия". - Москва. - 1977. - с.19-21.
25. Быковский Ю.А., Довгошей Н.И., Дудоладов А.Г., Козленков В.П., Лошинин М.Б, Лукша О.В., Миронос А.В., Окован М.И., Опачко И.И.,
Фирцак Ю.Ю., Чепур Д.В. Исследование импульсного лазерного метода получения пленок // Сб. "Структура и физические свойства тонких пленок". - Ужгород. - 1977.-с. 177-119.
26. Дробнич В.Г., Опачко И.И., Евдокимов С.А., Поп С.С., Феннич П.А. Непрерывное излучение при иониой бомбардировке пленки. Al;Oj с примесью // Сб. "Вторичная ионная и ионно-фотонная эмиссия". Сб. тезисов докл. Всес. семинара. -Харьков.- 1980.- с. 113-114.
27. Опачко И.И. О перспективе использования компонент лазерной плазмы в технологии и аналитической технике // Сб. научных трудов под ред. д.ф.-м.н. Реброва А.К. ИТФ СО АН СССР. - Новосибирск. - 1983. -с.36-38. *
28. Опачко И.И., Шевера B.C. Исследование взаимодействия излучения лазера на парах меди с поверхностью твердого тела // Сб."Процессы элементарных взаимодействий в атомах." - Ужгород. -1985. - с.189-198.
29. Опачко И.И., Шевера B.C. Лазерный микрозоид для масс-спектрометрии поверхности с проекционной визуализацией области пробоотбора // Тезисы докл. Всесоюзного совещания-семинара молодых ученых. - Ужгород. - 1985. - с.110-111.
30. Опачко И. И., Фенчак В.А. Об эффективности нмпульсно-периоднческой зарядки накопительной емкости // Н/т сб.' "Метрологическое обеспеч. пр-ва и контр.-нзмернт. техника". - Ужгород. -1988. - с. 167-169.
3!. Опачко И.И., Шимон Л Л., Малигаш А.Н., Шкоба Б.В. Разработка методики и проведение экспериментальных ис- следований процесса очистки иллюминаторов // Итоговый отчет по х/д 39-89. - 1990. - УжГУ. -№гос.р. 0190.0010484. .
32. Opachko I.I., Shimon L.L., Malinin A.N., Homjak B.Ja. Mass-spectrometer and projecting microscope setup .// V Summer School and International Symposium on the Physics of the Ionised gases. - Dubrovnic. - 1990. - p.2.26.
33. Opachko I.I., Malinin A.N., Shimon L.L., Homjak B.Ja. Laser mass-spectrometry of the surfaces of XeCl laser active elements. Laser and particle beams // Proc. 21ECLIM.-Warsawa. -1991. pp.181-183.
34. Opachko 1.1., Shimon L.L. Non linear processes of ionisation and selfTocusing at pulse periodic copper vapour laser effect on the surface Laser and particle beams // Proc. 21ECLIM. - Warsawa. - 1991. pp.184-186.
35. Опачко И.И.,Вощепинец Е.И.,Добош В.М.,Малиннн А.Н.,Шимон Л.Л., Шкоба Б.В. Моделирование активной среды электроразрядного.
эксимерного лазера на смеси Ne-Xe-Kr-HCl // Тезисы докладов 111 Межреспубликанского семинара. - Гродно. - 1992. - с.25.
36. Опачко И.И. Особенности действия цуга периодических лазерных импульсов на поверхность твердого тела // Науков! npaui 1ЕФ-96. -Ужгород. - "Патент". - 1996. - с.207-210.
37. Опачко И.И. О теплопроводности материалов, созданных из многокомпонентной порошковой смеси /У Науков! праху 1ЕФ-96. -Ужгород. - "Патент". - 1996. - с.204-206.
38. Опачко I.I. Про теплопровшпсть MaTepianiB, створених з багатокомпонентноУ порошковоТ cyMiuii .// Проблеми i практика наукового експеркменту. Науково-техтчний зб|'рник. - КиГв-Ужгород. - 1996. -вип. 12.-с.218-221.
39. Опачко И.И., Шимон Л.Л. Особенности действия имлульсно-периоднческого наносекундного излучения лазера на парах меди на поверхность // Hayxoei npaui 1ЕФ-96. - Ужгород. -1996. - С.263-267.
Опачко 1.1. "ФЬика утворення заряджених i нейтральних компонент лазерноТ плазми та ix взаемодЫ з поверхнею твердого тша." Рукопис.
Дисерташя на здобутгя наукового ступеня доктора ф^зико-математичних наук по спешальносп 01.04.05. - оптика i лазерна фЬика.
1нституг физики HAH Укра'ши, м.Кшв 1998р.
Захищаються 35 науков! npaui та 4 винаходи. Встановлеш особливосп eMicii iohib та нейтральних компонент тд д1ею ¡мпульсного та ¡мпульсно-перюдичного лазерного випромшювання на поверхню. Запропонована та реализована методика дослщження кореляцн динамки ioHHoY eMicii та вщбивних властивостей облас-ri ди випром1нювання на мшень з допомогою квантового пщсилювача яскравость Досл;джен! особливост1 конденсацй' пл'шок при взаемоди компонент лазерноТ плазми з поверхнею.
Ключов! слова: лазерна плазма, лазерна мас-спектромеггр1я, лазерний проекцшний м)кроскоп, напилення плавок, лазерна очистка, лазер на парах мШ, ексимерний лазер, резонанснс i нсрезонансне логлинання.
Опачко И.И. "Физика образования заряженных и нейтральных компонент лазерной плазмы и их взаимодействие с поверхностью твердого тела." Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук по специальности 01.04.05. - оптика и лазерная физика.
Институт физики НАН Украины, г.Киев 1998г.
Защищаются 35 научные работы и 4 изобретения. Установлены особенности эмиссии ионов и нейтральных компонент под действием импульсного и импульсно-периодического лазерного излучения на поверхность. Предложена и реализована методика исследования корреляции динамики ионной эмиссии и отражательных свойств области воздействия излучения на мишень с помощью квантового усилителя яркости. Исследованы особенности конденсации пленок при взаимодействии компонент лазерной плазмы с поверхностью.
Ключевые слова: лазерная плазма, лазерная масс-спектрометрня, лазерный проекционный микроскоп, напыление пленок, лазерная очистка, лазер на парах меди, эксимерный лазер, резонансное и нерезонансное поглощение.-
Opachko I.I. "Phyzics of Formation of Charged and Neutral Components of Laser Plasma and their Interaction with the Surface of Solid." Manuscript. '
Doctor of Phys.-Math. Science Thesis. Speciality - 01.04.05 - optic and laser physic.
' Institute of Physics of Nat. Ukr. Acad. Sci., Ki'iv, 1998.
35 scientific publications and 4 patents are to be defended. The emission peculiaritiesof currents and neutral components under the action pulse-periodic laser radiation upon the surface have been established. Research method "of correlation dynamics of ionic emission and reflectivity in the field of action upon the target with the help of quantum brightness amplifier have been suggested and realised. Condensation peculiarities of films while laser plasma components interact with the surface have been studied.
Key words: laser plasma, laser mass-spectrometry, laser projecting microscope, film condensation, laser purification, copper vapour laser, excimer laser, resonant and nonresonant absorption.
Пщпнсаяо до друку 13.02.98. Формат 60x90/16. Друс.арк. 1,75. Зановленая 3105. Тираж 100. ■ ВАТ"Патеат". 294013, м. Ужгород, ву л. Гагарина, 101.
9
