Лазерное воздействие на поверхностные слои и дифракционный анализ возникающих периодических структур тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

< I

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ИНСТИШ ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

на правах рукописи УДК «21,372.8.029.7

Масленников Владимир Львович

ЛАЗЕРНОЕ ВОЗДЕЙСТВИЕ НА ПОВЕРХНОСТНЫЕ СЛОИ И ДИФРАКЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ВОЗНИКАЮЩИХ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУР (01.04.2} - лазерная ф!зика)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико математических наук

МОСКВА - Г 993

Работа выполнена в Институте общей физики РАН Научный руководитель: доктор физико-матоматических наук

В.Л.Сычугов

Официальные ояпоненты: доктор физико-математических наук

В.В.Капаев кандидат физико-математических наук Т.В.Тулайкова

Ведущая организация: Российский Университет дружбы народов

г.Москва

и 15чеяов на заседании Специализированного Совета К 003.49.02 Института общей фюики Российской АН по адресу: 117.942, г.Москва, ул.Вавилова, д.38.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИОФ РАН.

Заищта состоится

Автореферат разослан " 1 " ? 1992г.

Ученый секретарь «пециализированного Совета К 003.49.02 кандидат физико-математических наук

Т.Б.Воляк

I. ОВДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Данная работа посвящено исследованию взаимодействия лазерного излучения с поверхность!) прозрачных, поглоааших и слоистых сред, формированию на их поверхности периодических структур (ПС) и мода!&ншроватшх слоев, созданию на их основе интегрально- оптических устройств. Образующиеся периодические структура на поверхности таких материалов несут информации о падающем излучении и материале подлонкн. Б случае слоистых ваяноводных срод в интерференции, приводящей к образована® ПС, принимают участие волноводные моды этих слооа. Нанесение поверг волноводных слоев индикаторных пленок позволяет по образующимся но их поверхности ПС определить параметры волноводов. Изучение процесса формирования ПС, создание дифракционных структур и устройств интегральной оптики и составляет основное содержании настоящей роботы.

Актуальность томи обусловлена, с одной сторожи, необходимостью развития злемонткой базы ин т в гр альио-оптичо г х устройств и разработки методов определения различных параметров этих элементов и устройств, с другой с тора! ш, ванюстыо создания новых прости* способов изготовления традиционных элементов и устройств интегральной оптики, таких как дифракционный элемент ввода-вывода излучения из пленарных волноводов, модулятора Маха-Ценде. и других, в связи с большей интеграцией интегрально- оптических, элементов необходимость в упрощении

технологии создания каждого отдельного элемента также является актуальной.

Цоль диссертационной работа заключается в исследовании процесса формирования периодических структур на поверхности прозрачных материалов при падении воздействующего излучения как снаружи, так и изнутри, образования ПС на поверхности во-шювсщшх структур, в разработке новых способов изготовления дифракционных, структур и устройств интегральной оптики.

Новизна, научная и практическая ценность диссертационной работы заключаются в следувдем:

на примере ПС. формирующихся на поверхности кремния при лазерном облучении, продемонстрирована работа дифракционного механизма образования ПС,

обнаружено действие двух теплофизических механизмов образования ПС в одном пятне облучения,

установлено, что под воздействием излучения С02-лазера на поверхности волноводов ИК диапазона, покрытых тонкой поглощающей пленкой, формируются ПС, являющиеся результатом интерференции поцавдеЯ волны и возбуждаемых волноводных мод,

предложена наразрушапдая методика определения параметров волноводов 10 мкм диапазона,

- показано, что в пленке, лежащей на поверхности сильно логлощаодей подложки и представлявдей собой волновод с модами »течки, возбуждаются ТМ-моды, определяющие периоды ПС,

испледован процесс формирования' дифракционных решеток на

поверхности кристаллов ншбата лития с помощью УФ облучения поверхности через маску. На основе итого эффекта создано устройство вывода излучения из Т1:ЫПЪ0Э волновода,

- впервые предложена и реализована безмасочная методик,:, изготовления эффективных дифракционных решеток на поверхности волноводов в LlNb03 излучением эксшерного лазера с узкой линие? генерации,

- предложена и реализована методика создания дифракционных решеток при лазерном окислении тонких металлических пленок <5чн применения фоторезисшвной маски и процесса травления через нее,

- исследованы волноводы'с модами утечки, получена генерация в системе из двух активных радиациогао связанных волноводов.

Апробация работы: Основные материалы, включенные в диссертацию, докладывались « обсуждались на семинврах в отделе колебаний ИОФАН,

1. VI Всесоюзной конференции по неразонансному взаимодействия оптического излучения с веществом ( Паланга, 1984),

2. XIII Мевдународаой конференции по когерентной и нелинейной оптике < Минск, 1988),

3. VI Всесоюзной конференции "Оптика лозеров" (Ленинград, 19У0),

4. VIII Всесоюзной конференции по взаимодействию излучения с веществом (Ленинград, 1990),

5. VI Международной школе по квантовой электронике (Варна, Болгария, 1990),

6. XIV Мевдународной конференции по когерентной и нелинейной

оптика (Ленинград, 1991),

7. I Всесоюзной конференции по интегральной оптике (Ужгород, 1991).

Материалы диссертации вошли в цикл работ, занявший первое место на конкурсе молодежных работ ИОФАН (1984), а такжо в цикл, отмеченный дипломом АН СССР в конкурсе молодевши работ зв 1985г.

Публикации.

Основные положения и результата диссертации опубликованы в I? печатных работах, перечисленных в конце автореферата.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литератур!. Работа изложена на 130 страницах, содержит 42 рисунка и список литературы из 90 наименований.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении сформулированы актуальность темы и цель работы, ее научная новизна и практическая ценность, описана структура диссертации и кратко изложено вэ содержание.

В рэрвой главе рассматриваются вопросы формирования периодических структур (ПС) на поверхности прозрачных сред. Суть явления состоит в формировании - периодического гофра на поверхности материала при облучении его одним лазерным пучком. При этом период и ориентация штрихов связаны с параметрами падающего излучения, углом падения и константами материала. Для

объяснения формирующихся структур использовался дифракционный механизм образования ПС.

На любоЯ поверхности всегда присутствует широкий ппо«№ шероховатостей. Падищеа излучение испытывает дифракцию'на коадой Фурье- гармонике иероховатости. Интерференция прошедшего излучения (ш отраженного) с дифракционными волнами приводит к неоднородному периодическому энерговыделешко вдоль поверхности с периодом, совпадающим с периодом этой Фурье- гармоники. ■: зависимости от разности фаз интерференционной картины и гсфра дашшй гофр мокет подавляться или углубляться. За величину воздействия падающего излучения на дашшй гофр берется разность онэрговыделения ДО во впадине этого гофра и на ого вершине зависимости от периоде этого гофра Д.

Экстремумам этой зависимости А(3(Л/Л) соответствует величин-того периода гофра Фурье- гармоники шероховатости, которая при наличии соответствуидего теплофизичаского механизма может углубляться и формировать периодический рельеф.

Проведены расчеты ДО(Х/Л) для прозрачных сред о я0 По^г.О;^ Пд=3,4 как при падении снаружи, так и изнутри. расчетах предполагалось, что на поверхности прозрачной среди имеется тонкий Ш«Х) поглощающий слой с к =-0,0;, Получены зависимости периодов образующихся структур от угла падения. Им проведенных расчетов следует, что возникающие микроструктур'; имеют в основном штрихи, перпендикулярные электрическому вектору Е падаицей волны и п*=1 для &0>0. Чтобы зарегистрировать картину

неоднородного энэрговыделеная при обстрэле поверхности кремния изнутри использовалась индикаторная пленка цапонлака, которую наносили ка одну аз граней кремниевой призмы. После обстрела излучением 0Сг лазера на пленке фиксировалась ПС, которая вшимзйромушсь по дифракции в видимом свете. Сопоставление вида к положения рефлексов в дифракционной картине с формой и положением екотрвмумов в расчетной зависимости ЛСИА/Л) обнаруживает хорошее соответствие.

В экспериментах по облучению чистой поверхности кремния (Х=9,6мкм) изнутри были получены ПС с Л=Х/п* и п,,ь5»<п0=3,4. Учет поглощения в кремшш, вызванном нагревсм материала, при расчете интерференционной картины в слое с к*0, дал значение к=1,25. Прк &том значении к п" достигает полученного в эксперименте значения.

6 конце главы описан эксперимент по обнаружению действия двух теялофшических механизмов в образовании ПС в одном пятне облучения. Этим механизмам соответствуют положительные и отрицательные экстремумы функции А<3(Х/Д). Первый случай соответствует сублимационному механизму, 8 второй - механизму порообразования в органической пленке нитроцеллюлозы.

Вторая глава посвящена исследованию процесса, образования ПО на поверхности слоистой волноводной структуры при воздействии лазерного излучения на нее. В случае волноводных слоев формирование ПС является результатом интерференции падающего излучения и каждой из волноводных мод. Многообразие периодов ПС

определяется количеством мод волноводной пленки.

В первой разделе описывается способ определения параметров тонких пленок п 10жм диапазоне длин волн. На исследуемуш пленку (прозрачную длй ЭДмкм излучения) наносится тонкая (~100С$) индикаторная пленка цапонлака. После облучения по нормали импульсным излучением С0глазвра на поверхности исследуемой пленки формируется набор ПС, периоды А1 которых строго определяются эффективными показателями преломления п*«=Х/Л1 волноводных мод этих пленок. По полученным п* с использованием дисперсионного уравнения для волновода определяются толщина и показатель преломления волноводной пленки. Помимо вышеописанных ПС обнаружено формирование ПС, в формировании которых принимают участие ТЕ моды утечки.

Во втором разделе описаны эксперименты по формированию ГЮ, в образовании которых принимали участие ТМ мода утечки. » экспериментах использовалось излучение Nd.-Y.AG лазера с /=1,06мкм и г=20нс.В качества особой волноводной структура с модами утечки использовались пленки цапонлака (прозрачные для х=1,овмкм) на германиевой подлоике (коэф. погл. к-0Л>. Образующиеся в пленке лака ПС прй обстреле такой структуры под углом в=вО° излучением ГМ поляризации соответствовали п* мод утечки волновода, которые хорошо ложились на дисперсионные кривые такой системы для ТМ волн, рассчитанные из комплексного уравнения ' дисперсии длл трехслойной системы.

Обнаружено формирование ПС на индикаторной пленке на

- (О -

поверхности диффузионного волновода в стекле с параболическим профилем показателя преломления, при возбуждении последнего через полированный торец. Получен на<5ор ПС, являвшихся результатом интерференции вз/шоводных мод как мевду собой, так и с модами распространяющаяся под углом ПВО (вперед и назад).

И в конце глеш описаны эксперименты по созданию эффективных дифракдаэшшх решеток как на поверхности волноводов, так и других сред с использованием обычной голографачоской схемы путей лазерного окисления тонких металлических пленок без применения фоторезистишой маски и последующего процесса травления через нее.

Третья глава посвящена использованию поверхностного фоторефракционнсго оффэкта в кристаллах ЫНЬ03 при 'УФ об лучении для создания в ло мантов интегральной оптики. Суть эффекта состоит в необратимом изменении коэффициента преломления ЬШЮЭ Дгл-0,2, происходящем в тонком приповерхностном слое толщиной около ЗОни при воздействии мощного ультрафиолетового излучения (Х«24Энм, Р%20МВт). Эффект набладался в кристаллах как беспримесных, так и с примесью различных металлов.

доследован процесс формирования дифракционных решеток под действием излучения эксимерного лазера, проходящего через кварцевую фазовую маску, прижатую к кристаллу ниобата лития. Обнаружено, что дифракционная эффективность решетки 2-го порядка выше, чем первого, что означает возможность создания на поверхности волноводнза структур на ниобате лития решетки.

малого периода. Помимо Ап, наведанного в кристалле МШЗЭ после облучения, обнарукено образование гофра. Экспериментально получен селективный траватель на основе плавиковой кислоты.

С использованием поверхностного фоторефракционного эффекта с помощью маски на поверхности Т1:ЫКЬОэ волновода излучением эксимерного Кг?"лазера сформирована дифракционная решетка с переменным иагом и кривизной штрихов, осуществляющая вывод волноводной моды через подлозску о одновременной фокусировкой в пятно диаметром ЗОккм. Эффективность дифракции составила I*.

В этой глава представлен способ создания эффективных дифракционных решеток па поверхности Т1:ЫКЬ0Э волноводов с использованием традиционной однолучевой голографической схемы и ультрафиолетового КгР"аксю«арного лазера с узкой линией генерации (~Д1/«0,1ск"1 и менее). Экспериментально получены дифракционные решетки о эффективностью 3% на отражение и 1,6* на проход. Для повышения дифракционной эффективности решеток предложено использовать лазеры в более длинноволновой области: Х=282нм (ХеВг) или \=308нм (ХеС1 лазер).

Возможность локального изменения параметров волноводов и ЫНЬ03 за счет УФ облучения позволяет осуществлять тонкую подстройку режимов работы различных интегрально- оптических устройств. Так, например, наш рассмотрена возможность подстройки интерференционного модулятора Маха- Цандера на середину линейного участка модуляционной характеристики работающего модулятора. Для этого один из каналов облучается УФ

излучением, при этом п* волноводной моды поникгстся, й происходит смещение рабочей точки. Проведены оценочные расчеты работоспособности метода.

Глава четвертая. В этой главе представлены эксперименты по генерации света в системе двух радиационно связанных волноводов.

- Волноводы с иодада утечка отличаются от обычных тем, что у таких волноводов показатель преломления подложки метле показателя преломления волноводной пленки , и свет частично излучается в подложку. Возбужденно света в таких волноводах (через подложку) носит резонансный характер, а ширина резонансной кривой определяется радиационными потерями. Как и в случае ' гофрированного волновода с усилением превишавдим диссипацию, при отражении света от поверхности волновода с модами ут^-гки достижимы высокие коэффициенты отражения Н>1, а яри аус-к1дисс+арад И>>1; При наличии обратной связи возможно получение генерации. Проще есего, видимо, это достигается в структуре с многократным отракеннием света от поверхности волновода. Для этого два активных волноводных слоя с модами утечки располагаются по обе стороны общей подложки, при этом излучение, выходящее из каждого волновода через общую подложку попадает в другой волновод и оказывается локализованным в структуре.

Далее рассмотрена модельная структура из двух волноводов с модами утечки» нанесенных на общую подложку и разделенных с ней буферными слоями с меньшим показателем преломления.

Представлены дисперсионные кривые мод, максимума шля которых локализованы внутри волноводных слоев. Это, симметричные и антисиммотричные моды, из-за различия фазовых скоростей которых происходит перекачка энергии из одного волновода в другой, аналогичная туннельной связи. Именно эти моды испытывают максимальное усиление в случае, если волноводные слои являются активными.

Для демонстрации возможности получения генерации в подобных структурах была изготовлена следующая структура. На подложку из ниобата лития (п=2,3) со скошенными под углом (6=40°) торцами с двух сторон были нанесены пленки ПММА (п-1,49), активированные родамином 6Ж. Структура помещалась в резонатор из дву* параллельных зеркал и накачивалась второе гармоникой М:¥АС лазера. Генерируемое излучение выводилось через полупрозрачное зеркало.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работа.

III. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

I. Установлено, что под воздействием излучения С0г-лазера на поверхности волноводов ИК диапазона, покрытых тонкой иоглощапцей пленкой, формируются ПС, являющиеся результатом интерференции падающей волны и возбуждаемых волноводных мод. Предложена яерэзрушающая методика определения параметров волноводов 10 мкм циапазона.

2. Установлено, что прд возбуздении о торца мощным лазерным излучением маогсьэдового волновода, покрытого тонкой поглощаодей пленкой, на его поверхности возникают ПС двух типов. Периода перша. ПС определяются штерфэрэшдаей волноводах мод, периода вторых- инто]эферэнцаэй волюводаых мод и радиационных мод, распрострэнящюссл под. углом ПВО.

3. В результате изучения процесса формирования ПС на поверхности, гер*ания, покрытого прозрачной пленкой,при воздействии излучения а Хв1,06мш1 установлено, что ПО образуются как внутри пленки, так и на поверхности германия. Показано, что в пленке, представляющей собой волновод с »¿одами утечки возбуждаются та-моды," опре,делящие. периода ПС.

4. Исследован процесс формирования дифракционных решеток на поверхности кристаллов ниобата лития с помощь» УФ облучения поверхности через маску. Показано, что на поверхности кристаллов формируется гофр, а внутри - редеткь по Дп. На основе этого эффекта создано устройство вывода излучения из Т1:1Ш>03 волновода. Эпврвыэ предлояен? и реализована безмасочная методика изготовления вффективных д-^ахциошшх решеток на поверхности волноводов в ЫЛЪ03 излучением эксимерного лазера с узкой линией генерации.

Б. Предложена методика создания дифракционных решеток для интегральной оптики без применения фоторознстивной маски и процесса травления через нее. Способ состоит в нанесении тонкой 1Б01 пленки И и последу нцего неоднородного окисления ее двумя

интерферирующими пучками мощного лазерного излучения. 6. Исследованы волноводы с модами утечки и система из двух радиационно связанных волноводов. Выявлены условия реализации максимальной длины связи меаду волноводами. Получена генерация в системе из двух активных радиационно связанных волноводов на основе пленок ГШЛ, активированных родамином 6Ж.

Основные результаты диссертации опубликованы в следупша работах:

I. Масленников В.Л., Прохоров A.U., 'Сычугов В.А.. Тнденко

A.B., Дифракция мощной световой волны на гофрированной границе раздела двух сред, Письма в ЖТФ, 1983, т.9, N11, 679-682.

2. Голубенко Г.А., Масленников В.Л., Прохоров A.M., Сычугов

B.А., Тищенко A.B., Формировании периодического микрорельефа на поверхности прозрачных тел под действием мощного лазерного излучения. Препринт ИОФАН N233, 1984, 21с.

3. Голубенко Г.А., Масленников В.Л., Прохоров A.M., Сычугов В.А., Тищенко A.B., Формирование периодического .микрорельефа на поверхности прозрачных тел под действием лазерного излучения. Поверхность, 1985. N7, с.93-98.

4. Голубенко Г.А., Масленников В.Л., Сычугов В.А., Формирование "продольного" микрорельефа на поверхности прозрачных тел под действием лазерного излучения., КТФ, 1986,т.56, N8, с.1637-1640.

5. Масленников В.Я., Самохин A.C., Свахин A.C., Сычугов В.А., Яковлев В.А., Формирование периодического микрорельефа при лазерном воздействии на поверхность твердых тел", покрытых

диэлекч'ричоской или металлической пленкой, Поверхность, 1085,N6, rOi-IOti.

f.. Масленников В.Л., Самохин A.A., Свахин A.C., Сычугов В.А., Яковлев В.А., Формирование периодического микрорельефа при лазерном воздействии на поверхность твердых тел, покрытых пленкой, Тезисы докладов Всесоюзной конфоренции по резонансному взаимодействию излучения с веществом, Паланга, ;;>64, С.402-405.

7. Баз;;куца Я.В., Масленников В.Л., Сычугов В.А., Яковлев в.А-, Образование периодических структур с участием волноводных мод г»ра лазерном, воздействии на поверхность волновода, ЛГГФ (в начата;, 199:;.

в. Масленников В.Л., Свахин A.C., Сычугов В.А., Яковлев В.А., Определение параметров тонких пленок ь 10мкм диапазоне длин волн, Оптика и спектроскопия, X98S, т.64, в,6, с.1318-1322. э. Масленникои В.Л., Сычугов В.А., Мекмодовые взаимодействия в диэлектрических диффузионных волноводах, Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров", Ленинград, 1990, с.442-443.

10. Баазкуца П.В., Масленников В.Л., Сычугов В.А., Образование ОНО при • возбукдении планерного волновода, Тезисы XIV Мекдуниродвой конференции "КиНО-91", Ленинград, 1991, PFF19, i! .134-135.

Ц. АвруцкиЖ И.А., Масленников в.Л., Сычугов В.А., Формирование ОПС но границе раздела "двух твердых сред, Препринт ИОФАН И,

- t7 -

1989, 7c.

12. Антонова К.Т., Жижш) Г.Н., Масленников В.Л., Сычугов 8.Л.. Тдкиш В.Е., Яковлев В.А., Переходные слоя па поворхшсгп ниобат» лития, возникавшие под действием УФ излучения. Препринт ИОФАР ГО 13. 1986., IS с.

13. Авдиекка К.И.. Долгополов В.Г., Масленников В.Л., Петров Д.В., Сычугоз H.A., Ражея A.M., Рыданных О.В., Федпхлн Л.А., Использование УФ облучения для создания элементов интегральной оптики на ююбатв лития. Письма в ЖТФ, i£88, т.14, НИ, С. 1CU2-100S.

14. Масленников 8.Л., Учугов В.А., Вартапетов С.К., Восе-ловский И.Н., Безмасочная ультрафиолетовая литографм решеток на Ti:LlNbOj юллоЕодах для оптоэлектрс,)ики, 71 Международная школа по квантоеой электроника, Варна, Болгария, 1990, с.4.

15. Масленников B.JI., Палехатый В.М., Способ изготовления интегрально- оптического интерферомэтрического модулятора света, а.с. по заявке N4806084/25 от 28.СО.90.

16. Масленников В.Л., Сычугов В.А., Тшценко A.B.. Усиевич Ь,£,., Генерация свата в система двух радиацпонно связанных волноводов. Квантовая электроника, 1992, т.19, N10.

17. Масленников в.Д., Сычугов В.А., Голографическяе решетки дль интегральной оптики без применения'фоторезистов. Препринт ИОФАН, 1992. (в печати), Юс.