Импульсы поверхностных акустических волн, возбуждаемые в твердом теле лазерным излучением, и их применения тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

АКАДЕМИЯ НАУК СССР институт общей физики

На правах рукописи УДК 534.232

МАЗНЕВ АЛЕКСЕЙ АРТЕМОВИЧ

ИМПУЛЬСЫ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН, ВОЗБУЖДАЕМЫЕ В ТВЕРДОЙ ТШ ЛАЗЕРНЫМ ИЗЛУЧЕНИИ*, И ИХ ПРШЕНЕШ

Специальность 01.04.03 (радиофизика)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

МОСКВ* Т992

Работа выполнена в Институте общей физики АН СССР

Научные руководители - доктор физико-математических наук

В.Г.МИХАЛЕВИЧ - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник АЛ.А.КОЛОМЕНСКИЙ

Официальные оппонента - ЧЕРН03АТ0НСКШ Леонид Александрович,

доктор физико-математических наук - КАРАБУТОВ Александр Алексеевич кандидат физико-математических наук

Ведущая организация Акустический институт им. Н.Н.Андреева

Защита состоится 2" 1992 г. в час.

на заседании Специализированного совета Д-003.49.02 при Институте общей физики АН СССР, Москва, ул. Вавилова, 38. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института общей физики.

Афгореферат разослан " 1992г.

Ученый секретарь Специализированного.совета доктор физико-математических наук

Е.А.Заболотская

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность теш. Лазерная, опгоакустика является в настоящее время интенсивно развивающимся направлением физики взаимодействия лазерного излучения с веществом. Лазерное возбуждение звука отличается от традиционная методов бесконтактностью, широкими возможностями управления характеристиками источников, высокой интенсивностью генерируемых акустических полей. Эти особенности позволили получить'целый ряд научных и прикладных результатов в таких областях, как нелинейная акустика, оптико-акустическая спектроскопия, веразрушаиций контроль. В настоящее время лазерное возбуждение звука в газах и жидкостях исследовано наиболее детально. Оптико-акустический эффект в твердых телах характеризуется большим разнообразием явлений, что связано, в частности, с наличием различных типов волн» в том числе рзлеевских поверхностных акустических во »та (ПАВ), распространяющихся вдоль свободной поверхности твердого тела в слое толщиной порядка длины ак/усгической волны. В последнее время лазерное возбуждение ЦАВ привлекает возрастающее внимание , исследователей. Это связано, с одной стороны , с общим возрастанием интереса к явлениям на поверхности и в приповерхностных слоях твердого тела; с другой стороны, именно на использовании ПАВ базируется такое практически важное направление как акустоэлектроника. Актуальность использования лазерного излучения именно для возбуждения поверхностных волн связана, кроме Того, р доступностью поверхности для возбуждения и регистрации ПАВ, с трудностью возбуждения ПАВ в непьезоэлектрическях материалах другими методами, а также с тем, что поглощение

лазерного излучения часто происходит именно в приповерхностном слое твердого тела.

К моменту начала работы над диссертацией рядом исследователей были установлены . основные механизмы лазерной генерации ПАВ, заложены основы теории, продемонстрирована возможность использования лазерного возбуждения ПАВ в оптико-акустической спектроскопии и дефектоскопии приповерхностных слоев твердого тела; в то же время ряд принципиальных вопросов оставался неисследованным.

Целью диссертационной работы является дальнейшее развитие исследования импульсного лазерного возбуждения ПАВ и его приложений. Были поставлены следующие задачи:

1. Исследование структуры сигналов ближнего поля при лазерном возбуждении импульсов ПАВ.

2. Исследование влияния упругой анизотропии на лазерную генерацию ПАВ в кристаллах.

3. Исследование взаимодействия лазерного излучения с л » 3 мкм с водой и использование его для возбуждения импульсов ПАВ в твердом теле через слой вода.

4. Исследование возможностей практического применения коротких высокоамплитудных импульсов ПАВ, возбуждаемых лазерным излучением.

Научная новизна.

1. Показана применимость двумерного волнового уравнения для описания лазерного возбуждения ПАВ при различных механизмах, что дает возможность использовать для решения задач по лазерному возбуждению ПАВ многочисленные результаты, полученные для термооптического возбуждения объемных волн в жидкости.

2. Рассмотрена структура сигналов ближнего поля при лазерном

возбуждении импульсов *ПАВ, рассчитаны предвестники, распространяются перед фронтом рэлёевских импульсов.

3. Экспериментально исследован эффзкт "фононной фокусировки" при распространении ПАВ, возбувдаемых точечным источником в кристалле.

4. Исследовано просветление вода под действием импульсов излучения эрбиевого лазера, с х=2.79 мкм. 5. Исследована генерация поверхностных и изгибных волн в твердотельных образцах излучением эрбиевого лазера через слой воды.

6. Предложено использовать короткие высокоамплитудные импульсы ПАВ. возбуждаемые лазерным излучением, для удаления механических микрочастиц с поверхности твердого тела.

Практическое значение результатов работа. Исследованный в диссертации эффект "фононной фокусировки" ПАВ в кристаллах имеет большое значение для практических приложения, в которых для возбуждения ПАВ используется остро сфокусированный лазерный луч, например для оптико-акустической микроскопии на ПАВ. Учет этого зф$екта, может, в частности, привести к многократному увеличению амплитуда регистрируемого сигнала за счет выбора надлежащего взаимного расположения источника и приемника ПАВ. На основе проведенных исследований по удалении микрочастиц с поверхности твердого тела при прохождении ПАВ предложены новый бесконтактный способ очистки поверхности кремниевых пластин от пылинок микронного размера, новый метод измерения сил адгезии микрочастиц к поверхности, а также новый простой метод визуализации пространственного распределения амплитуды при распрострранений ПАВ. Предложен также метод эффективного неразрушапцего возбуждения поверхностных и изгибных волн в твердотельных образцах импульсами эрбиевого лазера через слой воды. Результаты исследования

просветления воды- ¿а х=2.79 и 2.94 мкм имеют значение для использования эрбиавого лазера с данными длинами волн в медицине.

Основные защищаемые положения:.

1. Установлено, что лазерная генерация: рэлеевскюс волн- в изотропном твердом теле при' териооптическон; механизме генерации' и за счет воздействия на поверхность импульса давления описывается тем же волновым уравнение»1, что и термооптическая генерация: звука в жидкости в двумерном случае.

2. Установлена структура сигналов ближнего поля» пр® лазерном возбуждении ПАВ за счет указанных . выше механизмов, расягганы предвестники, возникающие при импульсном возбуждении ПАВ.

3. При распространении ПАВ от точечного источника в (III) и (IOO) срезах кремния наблюдается эффект фэнонной фокусировки.

4. При воздействии интенсивного излучения с » = 2.Т& кш ва> слой вода по мере увеличения удельного энарговклзда наблюдается аффект затемнения, сменяющийся затем просветленгом.Пэлученные результаты свидетельствует о тепловом механизме просветления вода. Исследование взаимодействия с водой гигантских импульсов с \ = 2.94 мкм показало, что при острой фокусировка излучения эффект просветления существенно усиливается за счет поперечного разлета жидкости.

5. Показано, что арбиевый лазер может бить использовав для аффективного неразрушащего возбуждения поверхностных и изгибшга волн в твердотельных образцах через слой воды.

6. Обнаружено явление отрыва частиц микронного размере от поверхности твердого тела при прохождении коротких мощных импульсов ПАВ.

Апробация работа и публикации. Основные результаты

диссертации докладывались на XIV Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и физической акустике твердого тела (Кишинев, 1989), на XI Всесоюзной Акустической конференции (Москва, 1991), VII международной конференции по фотоакустическим и фототепловым явлениям (Дурверт, Нидерланды, 1991), XIV Мевдународной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991) и опубликованы в II печатных работах.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 131 странице и включает 33 рисунка и 131 библиографическую ссылку.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении даны общая характеристика работы, обзор содержания по главам, сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан обзор литературы по импульсному лазерному возбувдению ПАВ.

Вторая глава посвящена развитию теории лазерного возбувдения ПАВ в изотропном твердом теле. В отличие от предыдущих теоретических работ, в которых рассчитывался лишь вклад рэлеевских волн в поверхностный сигнал, доминирующий на больших расстояниях от источника, в диссертации рассмотрена структура полного поверхностного акустического отклика при термооптическом механизме возбувдения. Из точного решения выделены вклады, имеющие различный физический смысл и законы спадания с расстоянием: стационарное смещение поверхности, локализованное в области лазерного

- в -

воздействия, рэлеевская волна, и связанные с объемными волновыми модами вклады, имеющие характер предвестников, распространяющиеся. перед фронтом рэлеевской волны и спадающие с . расстоянием быстрее,чем последняя; при этом имеются два типа предвестников, один из которых доминирует при большом коэффициенте поглощения лазерного излучения в среде, другой - при слабом поглощении. Показано, что для описания термооптнческого возбуждения рэлеевских волн вместо исходных объемных уравнений упругости с граничными условиями можно использовать двумерное волновое уравнение, в которое не входит нормальная к поверхности координата. В частности, в случае силыюпоглодающей среды (глубина поглощения излучения много меньше характерного поперечного размера лазерного пучка) рэлеевский вклад в нормальную компоненту смещений поверхности удовлетворяет уравнению:

1 эги аА(\-4сг /Зс* )Г д1(т,Ь)

—-г - V, = -—--• (1)

где г=(*,у) - координаты в плоскости поверхности, с,,,- скорости соответственно продольных, поперечных и рэлеевских волн, (1-4с'/э с')Г - безразмерная комбинация упругих постоянных с характерным значением "0.1, «- коэффициент теплового объемного

расширения, л- поглощательная способность, р- плотность, с~

р

удельная теплоемкость среда, Кт.ь) - распределение лазерной интенсивности. (I) по форме полностью аналогично уравнению, описывающему термоопгическое возбуждение звука в жидкости в двумерном случае. Так как последнее исследовано достато<шо детально, найденная аналогия может ' быть весьма полезной. ' В частности, ока была использована для вычисления -допплеровских

сигналов ПАВ и волны Маха, возбуждаема* двюхуполлися термооптическими источниками.

Аналогичное рассмотрение проведено для механизма генерации, связанного с воздействием на поверхность распределенного лмульса давления (что характерно для генерации за счет поверхностного испарения или оптического пробоя). Для рэлеевской волны также установлена применимость волнового уравнения; расчитана форма предвестника. Примечательно, что формы предвестников для обоих рассмотренных механизмов генерации оказываются сходными, в то время как начальная фаза рэлеевской волны при переходе от термооптического механизма к абляционному меняет знак. Отметим, что рассчитанные формы предвестников для обоих рассмотренных механизмов согласуются с экспериментальными данными.

В третьей главе ошсаны эксперименты по возбувдеиия импульсов ПАВ в пластинах монокристаллического кремния излучением ЯАГгмй лазера с модуляцией добротности (г = 10 яс, Е= 10 мДж). Для регистрации ПАВ использовалась бесконтактная оптическая методика, основанная на отклонении зондирующего луча непрерывного гелий-неонового лазера, позволявшая воспроизводить форму видеоимпульсов ПАВ с необходимым временным разрешением. Использовался абляционный механизм генерации ПАВ остро сфокусированным лучзм, что позволило возбуждать мойные короткие импульсы (амплитуда нормальной составляющей колебательной скорости поверхности I м/с, т = 10 не). При этом ускорения поверхности в

Я >

ПАВ достигали 2x10 м/с , что дало нам возможность использовать импульсы ПАВ для удаления с поверхности частиц микронного размера.

Столь мелкие частицы удерживаются на поверхности силами адгезии, более чем в Ю6 раз превышающими вес частиц. Предложенный

нами механизм отрыва частиц основан на действии силы инерции при ускоренном движении поверхности. Были проведены эксперименты по отрыву от поверхности кремниевых пластин частиц ai2o3 в вакууме и в воздушной среде. Лазерное излучение фокусировалось в полоску (10 мкм х 3 мм), поэтому очищенная от частиц область имела форму полосы шириной «3 мы. Подсчет частиц с помощью автоматизированного анализатора поверхности показал, что происходит э фиктивное удаление частиц с размером d « I мкм, что находится в согласии с оценками, предполагающими, что адгезия определяется межшлекулярными силами Ван-дер-Ваальса.

Отрыв частиц под действием возбуждаемых лазерным излучением импульсов ПАВ может быть использован для бесконтактной очистки кремниевых пластин, а также для измерения сил адгезии микрочастиц. Кроме того, мы использовали отрыв пылинок для визуализации распределения амплитуда ПАВ при распространении. Эта методика, была, в частности, использована для наблюдения фононной фокусировки ПАВ.

Явление концентрирования потока акустической энергии от точечного источника в кристалле в определенных направлениях, связанное с анизотропией фазовой скорости акустической волны, получило название "фононной фокусировки". Для поверхностных акустических волн данный эффект рассматривался ранее теоретически; экспериментальные исследования проведены впервые в данной диссертации. Для наблюдения "фононной фокусировки" ПАВ создавался точечный оптоакустический источник (излучение НАГ:на лазера фокусировалось в пятно диаметром 15 мкм). На рис.1а приведена фотографая запыленной поверхности (III) кремния после лазерного воздействия. Области, очищенные от микрочастиц при прохождении

'»ц»* у'

< •••- V- -"'С «Ч.-Лг »

- л,- . ¿О* >

| I I I I I Г I I ( I, I I I I I | ) | I г I I I I I I

-10? 0е Тй* 20Г 30* 40°

Т—1—I

?

40" 50 Рис.1.

"Фоиопная фокусировка" ПАВ в (III) срезе кремния: а- фотография запыленной поверхности после лэзерно-акустического воздействия; б-угловая зависимость амплитуда ПАВ (угол отсчитывавтся от <Ц0>). Темные и светлые значки относятся к разным сериям измерений. Сплошная кривая - расчет.

ПАВ, выглядят .на фотогра<$ии темными. Расходящиеся темные треки и представляют собой направления "фотонной фокусировки" (или направления концентрирования). Результаты измерений с помощью лазерного зонда (рис.16) подтвердили, что этим направлениям соответствуют острые максимумы амплитуды ПАВ. Полученные экспериментальные результаты согласуются с расчетами, выполненными на основе развитой ранее другими авторами теории.

Эффект фононной фокусировки ПАВ наблюдался также в (100) срезе si и в (III) срезе caAs. в полном соответствии с теорией при переходе от (III) среза si к (III) срезу caAs наблюдалось "расщепление" направлений концентрирования, связанное с более СИЛЬНОЙ УПРУГОЙ аНИЗОТрОПИеЙ gaas.

Четвертая глава посвящена исследованию просветления воды излучением с х. " 3 мкы и возбуждению ПАВ импульсами этого излучения через слой вода.

Исследовано пропускание тонкого (6 мкм) слоя вода излучением лазера на ИСГТгсг^.ег1* (а = 2.79 мкм), работавшего в режимах гигантского импульса (-с = 130 не) или цуга ультракоротких импульсов (УКИ) et" 150 пс. Установлено, что пропускание зависит от удельного энерговклада в падкость, а не от пиковой интенсивности. При этом по мере возрастания удельного энерговклада сначала (при Еуд*1 Кдж/см3) наблюдалось "затемнение" (увеличение поглощения), сменявшееся просветлением при дальнейшем увеличении энерговклада. Полученные результаты согласуются с представлениями о тепловом механизме просветления (за счет деформации полосы валентных колебаний жидкой вода при повышении температуры).

Исследовано также просветление воды гигантскими импульсами

ИАГ:ег3* (л=2.94 мкм) лазера при малых размерах пятна фокусировки (когда время пробега звука по сечению пучка много меньше длительности лазерного импульса). В этом случае за время лазерного импульса плотность жидкости успевает существенно. уменьшиться за счет поперечного разлета, что приводит к существенно более сильному просветлению, чем при относительно больших размерах лазерного пятна (наблюдается просветление слоев вода толщиной до 0.5 мм, что в 500 раз превышает глубину поглощения для слабого сигнала ). В этом же режиме исследованы генерируемые в воде акустические импульсы. В режимах, когда глубина просветления становится сравнимой с длиной акустической волны, сравниваются амплитуда акустических импульсов, генерируемых при жесткой и-свободной границах жидкости.

Проведены эксперименты по генерации ПАВ в твердотельных образцах (алюминиевый сплав, оргстекло), когда импульс эрбиевого лазера воздействовал на нанесенный на их поверхность слой воды. Сравнение данного режима генерации с абляционным и термооптическим показало его существенно более высокую эффективность. Дополнительным праеимушеством данного метода является отсутствие непосредственного воздействия излучения на поверхность образца. Проведено сравнение с теоретической моделью, рассмотренной в гл.1 (когда источник моделируется действующим на поверхность импульсом давления).

В случае, когда в качестве образца использовались кремниевые хяастины, наблюдалось зозбувдение низшей антисимметричной тамбовской моды (иэгиСной волны). При этом возбуждение через слой юды также оказалось гораздо эффективнее, чем в режиме этического пробоя. На основании полученных результатов дана

интерпретация экспериментов по лазерно-акустической очистке кремниевых пластин, покрытых тонким слоем воды, , от пылинок субмикронного размера.

В заключении ©формулированы основные результаты диссертационной работы.

1. Установлена структура поверхностных акустических сигналов при лазерном возбуждении ПАВ за счет термооптического механизма и при воздействии на , поверхность импульса давления. Показана возмоашостъ • использования двумерного волнового уравнения для описания лазерного возбуждения ПАВ, что' позволило использовать аналогию с термооптическим.возбуждением объемных волн в жидкости для вычисления . допплеровских сигналов и волны Маха щл возбуждениям ПАВ движущимся лазерным лучом. Рассчиташ предвестники, .возникающие при лазерном возбуждении перед фронто! рэлеевских импульсов.

2. Исследовано Еозбуздение коротких мощных импульсов ILV излучением ИАГ:ш лазера в кремнии. При возбуждении ПАВ точечны; оптоакустическим источником в (III) и (100) срезах кремния и (III) срезе GaAs наблюдался эффзкт фзнонной фокусировки концентрация потока энергии ПАВ в определенны кристаллографических направлениях. Наблюдаемые особенности этог явления согласуются с теорией.

3. Исследованы механизмы просветления воды под действ® излучения эрбиевого лазера с х = 2.79 и 2.94 мкм. На х = 2.79 ш по мере возрастания удельного энерговклада в жидкость наблюдает< снзчала затемнение, сменяюще&ся затем просветлением, ч' свидетельствует о тепловом механизме просветления. П; 1окус1фовке излучения в малое пятно, а < тс, эффе:

просветления значительно усиливается из-за уменьшения плотности зоды вследствие поперечного разлета. .

1. Исследовано возбуждение поверхностных и изгибных волн в твердотельных образцах импульсами зрбиевого лазера (а. = 2.94 мкм) 1врез слой вода. Данный метод более эффективен, чем генерация за ;чет термооптического механизма и оптического пробоя, ь Исследовано явление отрыва механических микрочастиц от юверхности твердого тела при прохождении мощного короткого шпульса ПАВ, возбуждаемого лазерным излучением. Высокие значения ускорений поверхности в импульсах ПАВ позволяют осуществлять 'далекие с поверхности частиц микронного и субмикронного размера ! вакууме, воздушной и водной среде. Это явлений можно гспользовать для бесконтактной очистки полупроводниковых пластин >т пылинок при производстве интегральных схем, а также для гзмерения сил адгезии микрочастиц. Кроме того, продемонстрирован >снованный на удалении пылинок метод визуализации распределения 1Ш1литуд при распространении ПАВ.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих >аботах:

Коломенский Ал. А., Мазнев A.A. Аналогия лазерного возбуздения рэлеевских и двумерных объемных акустических волн - Краткие сообщения по физике ФЙАН, 1989, % 12, с.33-34. Коломенский Ал. А., Мазнев A.A. Поверхностные отклики при лазерном воздействии на твердое тело: рэлеевские волны и предвестники. ■• Акуст. журн., 1990, т.36, И 3, с.463-469. . . Коломенский Ал. А., Мазнев A.A. Наблюдение фононной фокусировки при импульсном лазерном возбуждении поверхностных акустических волн в кремнии. - Письма в ЖЗТ?>,

1991, т.53, а 8, с.403-406.

4. Коломенский Ал. А., Мазнев A.A. Стряхивание механических микрочастиц с поверхности кремния под воздействием поверхностной акустической волны, возбуждаемой лазерным излучением. - Письма в ЖГФ, 1991, т.17, Jé 13, с.62-65.

5. Водопьянов К.Л., Кулевский Л.А., Мазнев A.A. Эффект просветления вода для интенсивного излучения с х ' з мкм и управление параметрами эрбиевого лазера. - Труда ИОФАН, 1991, т. 28, с.82-101.

6. Коломенский Ал.А., Мазнев A.A., Михалевич В.Г., Лазерный оптико-акустический эффект на границе сильнопоглощающей жидкости и его применения. - Изв. АН СССР. Сер. 4из., 1990, Т.54, » 12, с.2451-2457.

7. Коломенский Ал. А., Мазнев A.A., Шкловский и.С. Лазерное возбуждение изгибных и поверхностных волн и эффект каналировашя в пластинах кремния - В кн.: Тез. докл. XI Акустической конференции. Москва, 1991, секция И, с.5-7.

8. KolomensRii Al.К., Maznev A.A. Some applications off SM« pulses photogenerated in silicon. In: 7th Int. Topical Meeting on Photoacoustic and Photothermal Phenomena. Collection of Technical Abstracts' and Conference Digest. Doorwerth: 1991, p.34-35.

9. Беклешвав \В.И., Коломенский Ал. А., Мазнев A.A., Махонин И .»Г., Михалевич В.Г., Петров D.H., Пустовой В.И. Возможности лазерно-акустической очистки поверхности кремния, покрытой тонким слоем жидкости, от частиц субмикронного размера. Препринт ИОФАН №33, М.: 1991.

10. Беклемишев В.И., Коломенский Ал.А., Мазнев A.A., Махонин

И.И., Михалевич В.Г., Петров D.H., Пустовой В.И. Оптоакустическая стимуляция десорбции микрочастиц с поверхности кремниевой пластины. - В кн.: Тез. докл. xiv Мевдународной конференции по когерентной и нелинейной оптике. Ленинград, 1991, т.1, с.129.

II. Бойков Д.А., Коломенский A.A., Мазнев A.A., Маишёв Ю.В., Панфилов Ю.В., Равич A.M. Способ очистки поверхности подлокек. - Решение о выдаче патента от 22.08.91 по заявке * 4872125/25.