Исследования и разработка многофункционального лазерного комплекса тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.04 ВАК РФ

с ^

Министерство общего и профессионального

образования российской федерации

на правах рукописи удк. 621.375.826: 621.039.34:539.23

ильин андрей михайлович

исследования и разработка многофункционального лазерного комплекса

01 .04.04-4)11 !1!Ч1 С КАЯ ):П К I 1><)1ШК\

автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандида¡а физико-математических наук

11стро шводск-1997

Работа выполнена на кафедре информационно-измерительных систем и физической электроники физического факультета Петрозаводского государственного университета

доктор физико-математических наук Хахаев А. Д.

доктор физико-математических наук Сысун В. И. кандидат физико-математических наук Яшин В. Е.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный университет

Защита диссертации состоится У О 1997г. в /0час на заседании специализированного совета К 063. 95. 03 при Петрозаводском государственном университете МОПО Российской федерации по адресу: 185640, Петрозаводск, пр. Ленина 33, ПГУ,^^-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан "ЗС" &S 1997г.

Ученый секретарь специализированного совета

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Стефанович Г. Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность гемы. Лазерные методы анализа и модификации вещества используются в самых разных областях науки и техники. Развитие и применение этих методов связано с прогрессом физики и [ехники перестраиваемых лазеров различных шпов, преобразования длины волны излучения и её контроля. Перестраиваемое в широком диапазоне длин волн лазерное излучение является основой для проведения эксперн.меиюв. способствующих совершенствованию теоретических представлений о взаимодействии атомов со световым полем, анализа продуктов их столкновений с объектами, имеющими различную физическую природу и т.д. Получение новой информации, связанной с взаимодействием лазерного излучения с самыми различными средами позволило эффективно реализовать разнообразные практические приложения, например, связанные с процессами кристаллизации и фазообразования на поверхности твёрдых тел при воздействии на них лазерного излучения и созданием новых оптических носителей информации, разработкой новых фоторезистных материалов с высокой чувствительностью и разрешающей способностью, а также лазерным разделением изотопов.

Целью работы было: разработать и создать широкоуниперсаль-ный многофункциональный лазерный диагностический комплекс, способный служить основой ;ьпя проведения исследований по взаимодействию света с веществом.

При выполнении диссертационной работы были поставлены и решены следующие задачи:

1. Проведен обоснованный выбор лазерной системы для энер-1 онапряженных силовых воздействий на различные (в том числе и тугоплавкие) образцы, возможностью расширения диапазона длин волн генерируемых лучистых потоков и формирования узкого спектра излучения.

2. Разработан и аппаратно реализован лазерный комплекс, позволяющий получать излучение на нескольких длинах волн (до 6. из них 2 перестраиваемые) одновременно.

3 Проведен обоснованный выбор необходимого для приложений метода измерения длины волны.

4. Разработан метод измерения длины волны с использованием многоэлементных приемников излучения.

5. Разработан и создан программно-аппаратный комплекс для измерения длины волны и ширины спектра линии световых потоков.

6. Проведена апробация созданного многофункционального лазерного комплекса при исследованиях состава эффузного пучка атомов лития и модификации оксидов переходных металлов в результате воздействия лазерным излучением.

7. Экспериментально исследован процесс селективного возбуждения и фотоионизации атомов 1Л в зависимости от мощности и длины волны.

8. Экспериментально определены пороги структурной модификации лазерным излучением оксидов переходных металлов и проведена запись оптической информации на носитель на основе ОПМ

Научная новизна работы заключается в том что разработана, создана и апробирована многоканальная схема накачки на основе лазера на иттрий-алюминиевом гранате и ортоалюминате иттрия с последующим преобразованием длины волны нескольких лазеров на красителях, благодаря чему достигается широкий диапазон значений мощности лучистых потоков и широкая полоса перестройки частот излучения, а также возможность совмещения на исследуемом объекте одновременно нескольких потоков.

-изучено влияние характеристик различных элементов оптической схемы на выходные параметры излучения, генерируемого как в отдельных модулях комплекса, так и всего комплекса в целом и найдены оптимальные параметры этих элементов, режимы их эксплуатации и взаимное размещение, обеспечивающие низкие пороги возбуждения генерации, приемлемую пространственно-временную структуру лучистых потоков и достаточную для приложений энергию этих потоков.

-предложен и реализован способ точного измерения длины волны излучения в автоматизированном режиме на основе использования интерферометра Фабри-Перо совместно с источником реперных линий, спектральным прибором предварительного определения длины волны и регистрацией световых потоков на многоэлементных приемниках.

-в приложениях с использованием комплекса показана высокая селективность двухступенчатого возбуждения и фотоионизации в процессе разделения изотопов (У6 и 1л7)

-установлено влияние длины волны лазерного излучения на эффективность модификации ряда аморфных оксидов переходных металлов и определены пороги их структурных преобразований

Практическая ценность работы определяется тем что : -Создан широкоуниверсальный многофункциональный лазерный комплекс (лабораторный макет) для проведения исследований по

лазерной спектроскопии, позволяющий получать излучение на нескольких длинах волн в диапазоне 266-1079 нм одновременно и имеющий возможность дальнейшего расширения полосы генерации, в различных конфигурациях, обеспечивающих потребности эксперимента по лазерной модификации свойств твёрдых тел; лазерному испарению материалов (в том числе и тугоплавких) и нанесения их на подложки, а также потребности работ в системах возбужденных атомов и ионов.

-Найдены научные и технические решения, использование которых позволит реализовать на основе созданного базового комплекса ряд его проблемно-ориентированных модификаций с оптимальными для конкретных приложений параметрами излучения;

-Созданы методика и аппаратура для её реализации, позволяющие контролировать длину волны световых потоков, а также измерять спектральную ширину линии;

-С использованием комплекса показана высокая эффективность разделения изотопов методом селективного фотовозбуждения и последующей фотоионизации;

-На примере лазерной модификации оксидов переходных металлов показана целесообразность использования такой технологии создания структур с новыми свойствами для микроэлектронной техники, техники оптической записи информации;

-Совокупность научно-технических решений и реализация её в действующем лабораторном макете лазерного комплекса создали базу для научно-исследовательских работ и учебно- методическую основу для учебного процесса по таким учебным дисциплинам как; "Физика и техника лазеров", "Нелинейная оптика", "Квантовые генераторы и усилители", "Лазерная спектроскопия"(как самостоятельный курс и как раздел курса " Методы оптической диагностики" или "Современные методы спектрального анализа") и многих разделов дисциплин специальностей, бакалавриата и магистратуры на физическом факультете Петрозаводского университета и, в частности на кафедре информационно-измерительных систем и физической электроники.

Положения, выносимые на защиту.

-Разработана, реализована и апробирована оптическая схема базового многофункционального лазерного комплекса и его некоторых модификаций, отличающаяся гибкостью и простотой перестройки структуры с целью достижения широкой полосы перестройки длин волн, приемлемого уровня энергии лучистых потоков, возможностью комбинирования их количеством и составом в заданном объёме облучаемого объекта.

-Результаты исследований эффективности различных физико-технических решений формирования состава и свойств лучистых потоков в модулях лазерного комплекса, характеристик физической среды и рабочих режимов для оптимального использования в конкретных приложениях этого комплекса, в частности низкопорогового ВКР преобразователя на Ш,

-Метод определения длины волны излучения в автоматизированном режиме измерений и обработки данных на основе использования ИФП с реперами частоты, прибором предварительного измерения длины волны и многоэлементными приёмниками световых потоков.

-Результаты экспериментальной проверки метода измерения длины волны.

-Результаты измерений зависимости выхода ионного тока изотопов Li от мощности и длины волны возбуждающего излучения в схеме двухступенчатого селективного возбуждения и фотоионизации.

-Результаты экспериментальных исследований по лазерной модификации поверхностей оксидов переходных металлов (ОПМ), из которых следует:

• в ряду ОПМ V,Ti,Nb,Ta низшая пороговая энергия преобразования соответствует V.

• обнаружен эффект селективного химического травления исходных и подвергнутых лазерному воздействию образцов.

• показана возможность записи оптической информации на носителях на основе плёнок с ОПМ.

Апробация работы.

Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на Первом Международном семинаре "Экология и Спектроскопия. Мониторинг окружающей среды."(Петрозаводск,1991), Международном симпозиуме по передовым материалам для оптики и опто-электроники ALT'95 (Praque,1995), Второй Международной конференции по проблемам физической метрологии ФИЗМЕТ-96 (Санкт-Петербург, 1996), 28 конференции европейской группы по атомной спектроскопии 28 EGAS Conference (Graz,1996), 15 Международной конференции по атомной физике ZICAP (Amsterdam, 1996), 15 Конференции " Фундаментальная атомная спектроскопия. ФАС-15."(Звенигород,1996).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 работ, 9 тезисов указанных конференций список, которых приведен в конце автореферата.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Содержит 135 стр., включая 103 стр основного текста, 20 рисунков и 4 таблиц. Список литературы содержит 162 наименование.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность темы диссертации, сформулирована цель диссертационной работы, задачи, поставленные при её выполнении, кратко изложены результаты, характеризующие новизну работы.

В первой главе рассмотрены основные особенности проблемно-ориентированного использования лазерного излучения.

В п. 1.1 приведен краткий обзор современного состояния детектирования компонент пучков с использованием методов и средств лазерной спектроскопии, возможности эксперимента в этой области с применением перестраиваемых лазеров.

В п. 1.2 кратко рассматриваются характеристики лазерного излучения. применяемого для распыления материалов (в том числе тугоплавких) и нанесения их на подложки, для диагностики микроэлементов в испаряемом образце, а также для структурной перестройки областей в результате воздействия на них потоками лучистой энергии в некоторых перспективных фоточувствительных средах.

Из приведенного обзора работ следует вывод о целесообразности создания лазерного комплекса с широкой полосой длин волн генерации перестраиваемого излучения для диагностики параметров пучков, плазмы и т.д., а также модификации свойств твердого тела, в частности, поверхности пленок оксидов переходных металлов, распыления материалов и г. п. задачи, решаемые на кафедрах физического факультета Петрозаводского госуниверситета.

Вторая глава посвящена описанию исследований структуры и характеристик генерируемого излучения многофункционального лазерного комплекса на основе иттрий-алюминиевого граната с неодимом (YAG) и его некоторых модификаций.

В п.2.1 приведены характеристики и особенности формирования лучистых потоков энергии перестраиваемых лазеров различных типов, накачиваемых мощными импульсными источниками когерентного излучения, традиционно служащими для этих целей.

Показано, что лазерные системы на YAG привлекают внимание высокой пиковой мощностью импульса генерации, возможностью

гибко организовать необходимые для эксперимента с лазерным излучением конфигурации оптических схем, обеспечивающие требуемые параметры излучения. Появление новых высокоэффективных твердотельных активных сред совместимых с традиционными YAG системами накачки, возможность получить узкий спектр и мощное излучение на основной длине волны и гармониках, изменить длительность импульса генерации, расширяют возможности проведения физического эксперимента с использованием таких лазеров.

В п.2.2 описан многофункциональный источник лазерного излучения, разработанный и созданный на основе серийного лазера ЛТИ-406 на YAG с доработками в соответствии с поставленными задачами.

Для диагностики пучков, плазмы, газовых смесей и т.д. методами лазерной спектроскопии была создана конфигурация лазерного комплекса с одновременной накачкой двух независимо перестраиваемых лазеров на красителях (J1K) излучением второй гармоники YAG и расширением диапазона перестройки JIK в нелинейных преобразователях трех типов, представленная в п.2.2.1.

В рассматриваемом базовом варианте лазерного комплекса излучение на длине волны А.= 1.06 мкм преобразовывалось во вторую гармонику в кристалле дидейтероарсената цезия (DCDA) с автоматическим температурным выставлением и поддержанием синхронизма.

Для увеличения длительности лазерных импульсов накачки до 15 не на длине волны >1=0.53 мкм длина резонатора ЗГ YAG 0 4x65 мм в режиме модуляции добротности электрооптическим затвором на DKDP была увеличена до 1 м. Энергия накачки ЛК достигала 25 мДж.

В п.2.2.2 описана модификация лазерного комплекса с наибольшей энергией лазерного импульса для распыления различных образцов и нанесения на подложки слоёв материалов, необходимых для проведения исследований по физике поверхности. С этой целью в качестве активных элементов системы задающий генератор (ЗГ)- усилитель (УС) лазера накачки использовались кристаллы YALO3 :Nd3+ 06,3x65 мм. В многомодовом режиме с активной модуляцией добротности ЗГ была осуществлена генерация на длине волны Х= 1.0796 мкм без изменений в электрических схемах накачки ЗГ-УС, связанных с меньшим временем жизни возбуждённого состояния использованного перехода Nd3+, по сравнению с временем жизни данного перехода в матрице Y3AL5O12 штатных активных элементов. Была произведена плавная настройка задержек запуска соответствующих управляющих импульсов на максимум выходной энергии лазерного излучения в отношении формирования моноимпульса ЗГ к началу импульса разряда накопительных ёмкостей на лампу накачки и максимального усиления полученного моноимпульса в УС. Поворотом кристаллов YAIO3 в

квантронах вокруг оптической-оси был найден максимум энергии моноимпульса излучения на выходах ЗГ и УС, достигавший 85 и 360

мДж соответственно.

П. 2.2.3 посвящен описанию особенностей формирования и исследованиям характеристик излучения YAG и его второй гармоники, использованных для проведения эксперимента по лазерной модификации поверхностей ОПМ. Излучение с интенсивностью, превышающей порог, впервые определенный для ряда ОПМ. было получено в схеме ЗГ с активной модуляцией добротности (Х.=1.06 мкм, т=15 не) - УС на YAG (06,3x65 мм). Гладкий пространственный профиль близкого к одномодовому импульса получался в ЗГ, база резонатора которого составляла 95 см, внутри резонатора располагалась диафрагма 02.2 мм. Энергия лазерного излучения после однопроходового УС достигала ~ 100 мДж.

Моделирование процесса записи оптической информации на пленки на основе ОПМ было осуществлено в топографической схеме Лейта -Упатниекса, для чего ЗГ YAG был переведен в режим пасссив-

ной модуляции добротности затвором на основе LiF:F2~ с целью получения более узкого и стабильного спектра генерации. В результате проведенной работы был найден оптимальный режим работы ЗГ по выходной энергии одиночных одночастотных (по продольным и поперечным модам резонатора) в серии импульсов с учетом изменения температурных условий эксперимента. Энергия после УС YAG достигала 83 мДж, т=10 не на длине волны ^=1.06 мкм, 17 мДж на длине волны А.=0.53 мкм, после преобразования излучения YAG в дейтеро-арсенате цезия (CDA).

В разделе 2.3 приведены результаты исследования характеристик перестраиваемого излучения лазеров на красителях с различной накачкой.

В базовом варианте лазерного комплекса, рассматриваемом в 2.3.1, с накачкой двух ЛК на основе ЛЖИ-504, доработанных для решения поставленных задач и собранных по схеме ЗГ-УС с квазипродольной накачкой, излучение второй гармоники YAG делилось в соотношении 2:5, что обеспечивалось плоскими дихроичными зеркалами, полностью пропускающими излучение Л.= 1.06 мкм. Квазипродольная накачка ЗГ и УС была выбрана с целью получить хорошее качество пучка в поперечном сечении, повысить к.п.д. преобразования ЛК в нелинейных устройствах в условиях сравнительно невысокого энерговклада накачки. Дисперсионный резонатор ЛК состоял из ди-

фракционной решетки 1200 штр/мм, призменного телескопа 27х, внутрирезонаторной просветленной линзы, кюветы с прокачиваемым этанольным раствором красителя и выходного клинового зеркала. Энергия накачки ЛК делилась в соотношении 1:5 между ЗГ и УС. На выходе ЛК энергия достигала 1.4 мДж при использовании красителя ФН-70 (накачка только от ЗГ YAG, ~ 5 мДж на длине волны >.=0.53 мкм). Диапазон генерации ЛК на этанольных растворах красителей 542-651 нм (см. Табл.1). Грубая перестройка длины волны осуществлялась поворотом решетки, работавшей в автоколлимационном режиме. Использовался первый порядок дифракции. Для сужения спектра и тонкой перестройки длины волны ЛК в резонаторе помещался интерферометр Фабри-Перо (ИФП), резкость F=15 в диапазоне длин волн 500-700 нм. Ширина спектра ЛК составляет 0.05 нм по полувысоте без ИФП в резонаторе, с базой ИФП d=5 мм, установленном в ЗГ ЛК ширина спектра равна 0.004 нм на длине волны >,=0.67 мкм.

В п.2.3.2 изложена методика получения и описаны характеристики лучистого потока, перестраиваемого в полосе длин волн 0.660.69 мкм ЛК для проведения экспериментов по лазерному возбуждению и фотоионизации атомов Li в эффузном пучке. Для этого было предприняты следующие действия. Энергия накачки на длине волны X = 0.53 мкм в данной серии экспериментов использовалась для возбуждения и усиления перестраиваемого излучения ЛК1 на красителе ФН-70, настроенного на максимум поглощения красителя "нильский синий" в этаноле, генерирующего во втором перестраиваемом лазере ЛК2 световой луч в области длин волн 0.66-0.69 мкм. Излучение с энергией в 10 раз меньшей на длине волны А.=0.53 мкм проходило регулируемую линию оптической задержки и направлялось на KDP (дигидрофосфат калия) для преобразования во вторую гармонику (Х=0.266 мкм) для фотоионизации возбужденных атомов лития в эффузном пучке. Схема накачки УС ЛК! была изменена с почти продольной на поперечную, что позволило уйти от режима работы поверхности кюветы УС ЛК1, близкого к пробою. Для получения минимальной ширины спектра ЛК2 с ИФП в резонаторе УС ЛК1 необходимо было выставить в определенное положение, соответствующее как оптимуму по энергии, так и ширине спектра генерации. Задержка накачек УС JIK1 и 2 для снижения фона суперлюминесценции равна 3 не. Длительность импульсов лазерного излучения на длине волны Х=0.266 мкм и А.=0.66 мкм составляла 5 не по полувысоте, энергия на выходе лазерного комплекса данной конфигурации 8 и 1 мкДж соответственно.

----------Ваздед 2.4 посвяшен расширению полосы .часки генерации ЛК

в нелинейных преобразователях различных типов.

Преобразование излучения JTK в ближний ультрафиолетовый (УФ) диапазон описано в п.2.4.1. В УФ диапазоне перестраиваемое излучение получается в результате генерации второй гармоники JIK в KDP (взаимодействие ООЕ, 0=62°, <р=0°) и генерации суммарной частоты в KDP (взаимодействие ОЕЕ, 6=58°, ф=0°) излучений YAG 1.06 мкм и ЛК с угловой настройкой синхронизма в обоих случаях. Коэффициент преобразования во вторую гармонику достигал 11% на длине волны Х=0.623 мкм при 1.4 мДж падающего на KDP излучения. При преобразовании ОЕЕ энергии взаимодействующих волн достигают, например: на длине волны Xi = 1.06 мкм - 3.9 мДж; Ъ.г = 0.612 мкм (JIK на ФН-70 ) - 0.166 мДж; Х3 = 0.3788 мкм - 0.56 мДж . Длительность лазерного импульса на длине волны Хз составляет 5 не по полувысоте.

Преобразование излучения JTK в ближний ИК диапазон осуществлено в многопроходовой кювете с Ш при 22.5 атм и описывается в п.2.4.2. Получена 1-я Стоксова компонента излучения ЛК. При накачке лазерным излучением с энергией 0.62+0.03 мДж на длине волны >^=0.56 мкм энергия смещенного по частоте излучения составила 0.27 ±0.04 мДж.

Диапазон генерации МЛК с использованными нелинейными преобразователями длины волны составляет 271-873 нм (см. Табл.1).

Табл.1

Излучение JIK, нм 2-я гарм. ЛК,нм 2 излучения ЛК и 1.06в КДР нм 1-я Стоксова компонента в ВКР кювете с Н2 . им

Родамин N 542-578 271-289 356-370 685-727

Родамин 6G 555-574 277.5-287 362-375 721-746

ФН-70 591-648 295.5-324 377-402 789-840

ФН-85 623-651 311.5-325.5 394-402 840-873

Спектральная плотность мощности на выходе комплекса достигает 240 кВт/см2 • нм при накачке объёма 0.6x0.6x0.6 см3 на длине волны 388 нм без ИФП в резонаторе ЛК1. Одновременно 2-й перестраиваемый канал в базовом варианте МЛК генерирует спектральную плотность мощности излучения до 2 МВт/см2 • нм при накачке

того же объёма на длине волны 800 нм также без ИФП в резонаторе ЛК2.

Использование широко известного красителя Родамин С в ЛК, высших компонент ВКР в созданной кювете, схемы смешивания гармоник ЛК и излучения на длине волны X = 1.06 мкм, а также увеличение энергии в импульсе источника накачки существенно расширит область длин волн генерации, и, следовательно, прикладное значение комплекса.

В разделе 2.5 приведено описание автоматизированного измерителя длин волн и ширины линии лазерного излучения.

Оперативный контроль длины волны и ширины спектра не только импульсного, но и непрерывного источников света, связанных с задачами прикладной спектроскопии, осуществляется с использованием автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса. В данной установке используется один ИФП для точного определения длины волны, грубое значение длины волны определяется на спектрометре ДФС-8 с линейкой 1200 ЦЛ7 в фокальной плоскости с

о

точностью 0.015А при 95°о вероятности нахождения результата внутри этого интервала. В качестве реперных линий вторичных стандартов длин волн используются N6 лампы с полым катодом, в спектре излучения которых присутствуют сильные и тонкие линии в диапазоне 500-700 нм, рекомендованные в качестве таковых.

Фотоэлектронный сигнал, соответствующий интерферограмме на линейке 1200 ЦЛ5 в фокальной плоскости рисующего объектива, расположенного за ИФП, поступает в ЭВМ для обработки. Возможен непрерывный контроль сигнала с ПЗС-линеек на экране осциллографов.

В п.2.5.1 дан метод вычисления длины волны.

Измерение длины волны в автоматизированном режиме основано на точном знании толщины базы ИФП, для чего через монохрома-тор МДР-2 подают на него последовательно излучение от 5-6 линий N6 лампы. Измерения дробных частей порядков интерференции проводились на ЭВМ с дальнейшей статистической обработкой с целью повысить точность. При известной толщине ИФП по грубому значению длины волны можно вычислить целый порядок интерференции; по интерферограмме измеряемой длины волны - дробный порядок; из этих данных - точную величину длины волны.

В третьей главе приведены некоторые результаты исследований, проведенных с использованием лазерного комплекса и их обсуждение.

________В разделеЗ. 1 описывается эксперимент, и обсуждаются некоторые результаты селективного воздействия на атомы"LP в_эффузном" пучке лазерного излучения и последующей фотоионизация этих атомов также лазерным излучением, генерируемым от того же импульса накачки 4-й гармоникой с длиной волны ^=0.266 мкм. Смесь изотопов Li6 и Li7 поступала в зону анализа из специализированного тигля и облучалась остронаправленным световым пучком с двумя длинами волн в направлении, перпендикулярном оси симметрии эффузного пучка.

Для селективной накачки резонансных уровней 2s2Si/2- 2p3Pi/2.3/2 использовалось перестраиваемое по длине волны лазерное излучение при ширине линии возбуждения 0.004 нм в диапазоне 0.66-0.69 мкм. Оценка и особенности формирования необходимых параметров излучения МЛ К приведены в п.3.1.1. Насыщение переходов как при возбуждении, так и ионизации атомов проверялось экспериментально сменой фильтров в соответствующих каналах лазерного комплекса.

Вакуумная система и источник теплового атомного пучка Li описываются в п.3.1.2. Остаточное давление газов в камере поддерживалось на уровне 310-6 мм.рт.ст. с использованием охлаждаемой жидким азотом ловушки. Источник тепловых атомов лития способен обеспечивать плотность атомов на выходе до 10м ат/см-\

В пп. 2.L-3JIJLL4 рассмотрены системы формирования высоковольтного импульса, используемого для отклонения и разделения ионных токов во времени и их регистрации соответственно. После воздействия лазерным излучением на атомы через 140 не на отклоняющую систему времяпролетного масс-анализатора, в состав которого входит также открытый ВЭУ-6 каналового типа, подавался высоковольтный электрический импульс (ВВИ), формируемый в системе с высоковольтным полупроводниковым разрядником с лазерным под-жиг ом. Перпендикулярная компонента скорости, сообщаемая ионам Li6,7, приводит к времени дрейфа Li6 t=l.710h с. Сигнал на экране (Рис.1) запоминающего осциллографа С8-14 после усилителя формируется на «300 не позднее для Li7 с учетом длины пролета 1=3.5 см (из центра пластин отклонения до защитной сетки ВЭУ-6).

В п.3.1.5 представлены результаты экспериментов по лазерной двухступенчатой фотоионизации тепловых агомов Li. С каждым лазерным импульсом снимались: X - значение длины волны возбуждения с точностью ±0.8 1hm;U]i6, Uli7 - сигнал от изотопов лития в системе регистрации ионного тока; Е0 67, Е0 26 - абсолютное значение энергии лазерного излучения Х=0.67 мкм и относительное значение энергии лазерного излучения А=0.266 мкм. На Рис.1 приведены осцил-

лограммы ионного тока с детектора времяпролетного масс-анализатора при различных положениях линии возбуждающего излучения относительно линии поглощения изотопов 1Л6.7, а на Рис.2-результаты сканирования перестраиваемым излучением в полосе, где расположены соответствующие линии поглощения.

? •=:......

I'.и

• .■j^

"id * \

- .

а б в

Рис. 1. Осциллограммы ионного тока. (1 клетка — 100нс). а). Сигнал только от Li«, б). Lie — слева, Lb — справа, в). Только U7.

-10dP7-6 6707.

Ангстремы

Рис 2. Ионные токи Lió,7 при перестройке длины волны ступени возбуждения.

В разделе 3.2 приведены результаты исследования лазерно-стимулированной модификации поверхностей пленок на основе ОПМ.

В п. 3.2.1 представлены данные экспериментов воздействия лазерным лучом на оксиды Та,-КЬГТ1 и V при увеличении плотности-----------

энергии Е показавшие, что минимальное значение Е соответствует V (Табл.2).

Таблица 2

Оксид Та 1МЬ Т1 V

ед, мдж/см2 28 18 15 0.8

Спектрофотометрические измерения обработанных лазерным излучением областей показали, что при этом происходит сдвиг максимума спектра отражения в синюю область (кривые 1 и 3, Рис.3). Увеличение Е приводило к дальнейшему смещению спектра в коротковолновую область, затем пленка приобретала серую матовую поверхность с низким коэффициентом отражения (меньше 5%). Дальнейшее увеличение энергии приводило к распылению оксида до поверхности подложки (90-100 мДж/см2).

к. % —|

60 -----! •

\

\ / _

° | II I I II I I I | I II I I Г I I 'I | I I I I I I 1 I I | I I I

225 425 625 825

X ,пт

Рис.3. Спектральные зависимости коэффициента отражения анодного

оксида ванадия .

1,2- Исходные плёнки, полученные анодированием в электролитах с различным содержанием воды.

3 - плёнка подвергнута воздействию лазерного излучения.

На Рис.4 представлена зависимость оптического контраста

л К- — К-о

А =-, где Яо - коэффициент отражения на длине волны

Я + Яо

1=0.63 мкм Не-№ лазера пленки до воздействия и Я - коэффициент отражения той же пленки после воздействия лазерным излучением. Обнаружена зависимость Ео - пороговой энергии модификации от длины волны лазерного излучения (Ео=0.6 мДж/см2 для ^,=0.53 мкм, зависимость 2, Рис.4).

0.00 1 .00 2 00 3 00

2

Е , m J/cm

Рис.4. Зависимость оптического контраста от плотности энергии лазерного излучения различной длины волны (1-Л=1.06 мкм, 2-А.=0.53 мкм).

В п.3.2.2. рассматривается тепловое воздействие на образцы с ОПМ. Установлено, что трансформация физических свойств оксидов, подвергнутых лазерной обработке, подобна процессам, происходящим при термообработке

В 3.2.3 показана возможность записи оптической информации на поверхности пленки оксидов в V и Ti (наиболее привлекательным для этих целей следует считать оксид ванадия, для которого при наименьших энергетических параметрах лазерного излучения эффективность воздействия максимальна) с использованием луча YAG лазера с

LiF: F2 модулятором добротности. На пленке с ОПМ была произведена голографическая запись информации по схеме Лейта-Упатниекса, и получена регулярная последовательность модифицированных (кристаллических) и исходных (аморфных) участков - дифрак-

ционная решетка. Дифракционная эффективность г|=1|/Го, где 1» - ин-тенсишгость падающего излучения. 1| - интенсивность в первом порядке дифракции, достигала 3% и может быть усилена химическим травление до 5-10%. Всего в свете излучения Не-Ые лазера Х=0.63 мкм мощностью ~7 мВт наблюдались до 6 порядков дифракции.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ И ВЫВОДЫ:

1. Разработана, создана и апробирована многоканальная схема накачки на основе лазера на иттрий-алюминиевом гранате и ортоа-люминате иттрия с последующим преобразованием длины волны нескольких лазеров на красителях, благодаря чему достигается широкий диапазон значений мощности лучистых потоков и широкая полоса перестройки частот излучения, а также возможность совмещения на исследуемом объекте одновременно нескольких потоков (на 6 длинах волн, из которых 2 перестраиваемые) в диапазоне длин волн 266-1079 нм и обеспечена принципиальная возможность дальнейшего расширения этого диапазона, например в ИК область.

2. Изучено влияние характеристик различных элементов оптической схемы на выходные параметры излучения, генерируемого как в отдельных модулях комплекса, так и всего комплекса в целом и найдены оптимальные параметры этих элементов, режимы их эксплуатации и взаимное размещение, обеспечивающие низкие пороги возбуждения генерации, приемлемую пространственно-временную структуру лучистых потоков и достаточную для приложений энергию этих потоков.

3. Предложен и реализован способ точного измерения длины

о

волны (±0.0075А) излучения основе использования интерферометра Фабри-Перо совместно с источником реперных линий, спектральным прибором предварительного определения длины волны и регистрацией световых потоков на многоэлементных приемниках.

4. Получен массив экспериментальных данных о взаимодействии лазерного излучения с атомами Ы в эффузном пучке и показана высокая селективность воздействия на атомы в эффузном пучке.

5. Впервые проведено исследование модификации поверхности оксидов переходных металлов У,Т1,МЬ,Та в результате воздействия лазерного излучения что позволило:

5.1 Осуществить эксперимент по моделированию записи оптической информации на носитель на основе оксида переходного металла.

5.2 Определить пороги структурных изменений поверхностей образцов упомянутого ряда и установить, что:

5.2.1 Наименьшая плотность энергии фотонной обработки аморфных плёнок ОПМ соответствует V;

5.2.2 Обнаружен эффект селективного химического травления исходных и подвергнутых воздействию лазерным излучением образцов.

Таким образом, разработан, создан и апробирован эффективный инструмент и база для научно-технических разработок в области физической электроники, а также лабораторная база для учебно-методических мероприятий, связанных учебным процессом на кафедре информационно-измерительных систем и физической электроники Петрозаводского госуниверситета.

Публикации по материалам диссертации.

1. Ильин А.М., Королева И.Ю., Мешков Д.В., Хахаев А.Д. Лазерный комплекс для аналитических приложений. Сб. "Экология и спектроскопия. Мониторинг окружающей среды."//1991,- Петрозаводск.- С.2В - 30.

2. Ильин А.М., Пергамент А.А., Стефанович Г.Б., Хахаев А.Д., Чудновский Ф.А. Лазерно-стимулированная модификация свойств оксидов переходных металлов // ОПиС.- 1997.-T.82.-N1.-C.46- 50.

3. Il'in A.M., Khakhaev A.D., Pcrgament A.L., Stefanovich G.V. Laser Modification of the Properties of Transition Métal Oxides. International Simposium on Advanced Materials for Opties and Optoelectronics // 1995.-Praque.- Czcch.Rcp.- Sept. 4-7.

4. Ильин A.M., Хахаев А.Д. Лазерный комплекс с расширенным диапазоном перестройки частоты. Сборник "Лазерная физика" // 1992,- С.-Пб,- В.2,- С.30.

5. Ильин А.М., Хахаев А.Д. Лазерный комплекс с расширенным диапазоном перестройки. Сборник "Лазерная физика" // 1993.- С.-Пб.- В.4.- С.29.

6. Ильин А.М., Стефанович Г.Б., Хахаев А.Д. Лазерно-сгимулированная модификация поверхности оксидов переходных металлов для приложении в микро- и оптоэлектронике. Сборник "Лазерная физика" // 1994.- С.-Пб.- В.9.-С.55.

7. Ильин А.М., Хахаев А.Д. Разработка лазерного комплекса с расширенным диапазоном перестройки частоты. Сборник "Лазерная физика" // 1995.- С.-Пб.-В.10.-С.10.

8. Ильин A.M., Пергамент А.Л., Слсфанович Г.Б.ГХахасвА.Д. Лазерная модификация свойств оксидов переходных меглллов. Сборник "Лазерная физика" // 1995,- С.-П6,- В.12.- С.46.

9. Ильин A.M., Мощевикин А.П., Хахаев А.,Д. Оценка изотопного состава с использованием лазерной селекции атомных состояний. Тезисы докладов Второй международной конференции по проблемам физической метрологии ФИЗМЕТ-96 // 1996,- С.-Пб.- С.76 - 79.

10. Ильин A.M., Мощсшпаш А.П., Смирнов С.В. Установка дня измерения длины волны и ширины линии импульсного излучения. Тезисы докладов Второй международной конференции по проблемам физической метрологии ФИЗМЕТ-96 // 1996,- С,- Пб.- С. 80 - 83.

11. Ильин A.M.,Мощевикин А.П., Хахаев А.Д. Комплекс для лазерной спектроскопии. Тезисы докладов Второй международной конференции по проблемам физической метрологии ФИЗМЕТ-96 // 1996.- С.-Пб.- С. 84 - 86.

12. Ильин A.M., Мощевикин А.П., Смирнов С.В. Установка для измерения длины волны и ширины линии // ПТЭ.- 1996.- в печа га.

13. Il'in A., Moschevikin A., Khakhaev A. One Variant of the Wavelenght Meter. Abstracts of 28 EGAS Conference // 1996,- Graz.-A4-90.-P.-179-180.

14. Il'in A., Moschevikin A., Khakhaev A. Li Isotopes Separation by Means of Laser Selection Technique. Abstracts of 28 EGAS Conference II 1996,- Graz.-C4-81.-P.-380-381.

15. Il'in A., Moschevikin A., Khakhacv A. Li Isotopes Separation by the Two-Step Laser Photoionization. Abstracts of 15 th Intern. Conf. Of Atomic Physics. Zecman-Effect Centenary // 1996,- Amsterdam.-P.14-16.

¡6.Ильин A. M., Мощевикин А.П., Хахаев А.Д. Фоюионизиция изоюпов в многочастотном поле // ФАС-15 (Фунд. Ат. Спектр.) 1996.- Звенигород.

17. Il'in A.M., Moschevikin А.P., Khakhaev A.D. Li Isotopes Photoionization in the Two Frequency Laser Field // Physica Scriptn.-1997.- in press. '