Закономерности образования упорядоченных микро- и наноструктур в конденсированных средах при лазерном возбуждении мод поверхностных поляритонов тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи УДК 621.373.826

0050574*э

Макин Владимир Сергеевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ УПОРЯДОЧЕННЫХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗБУЖДЕНИИМОД ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОЛЯРИТОНОВ

01.04.05 -Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

1 8 ДПР ¿№

Санкт-Петербург, 2013 г.

005057445

Работа выполнена в ОАО «Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения» (ОАО НИИ ОЭП), г. Сосновый Бор Ленинградской обл.

Научный консультант:: доктор физико-математических наук, профессор Макин Руслан Сергеевич

Официальные оппоненты: Яковлев Евгений Борисович - доктор технических

наук, доцент, НИУ ИТМО, профессор кафедры ЛТиЭП Игнатьев Иван Владимирович, доктор физико-математических наук, профессор СПбГУ, профессор кафедры физики твердого тела Герасимов Геннадий Николаевич

доктор физико-математических наук, профессор, НПК ГОИ, начальник лаборатории

Ведущая организация: Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Защита состоится «30» апреля 2013 г. в 15w часов на заседавши диссертационного совета Д.212.227.02 при Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский проспект, д. 49, ауд. 285.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики

Автореферат диссертации разослан« »марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

кандидат физико-математических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Изучение процессов взаимодействия оптического излучения с конденсированными средами и проблем управляемого формирования структур на поверхностях и в объеме конденсированных сред является одним из приоритетов в современной теоретической и прикладной физике. Особую роль указанные направления играют в современной теории взаимодействия мощного лазерного излучения с материалами, пассивными и активными оптическими элементами, структурами и системами, в оптических квантовых генераторах ультракоротких длительностей импульса, оптико-электронных устройствах управления излучением, трактах мощного лазерного излучения, включая современные комплексы по управляемому лазерному термоядерному синтезу. Разработка и создание современных лазерных технологических комплексов для обработки материалов нового поколения требует новых методов и подходов для создания технологий управляемой обработки, управляемого формирования материалов и структур с заданными структурными и функциональными свойствами.

Поверхностные поляритоны были введены в оптику сравнительно недавно, в 1969 году работой Кречмана' и сегодня являются ее неотъемлемой частью. До постановки настоящей работы поверхностные поляритоны как элементарные возбуждения границ раздела сред использовались для анализа оптических свойств тонких слоев пленок и адсорбатов на поверхностях металлов. Пионерская работа2, впервые продемонстрировавшая распространение ПЭВ на макроскопические расстояния (~1 см) вдоль границы раздела металл воздух в средней ИК области спектра, положила начало ИК спектроскопии на основе поверхностных электромагнитных воли (ПЭВ). Было показано, что методика ПЭВ является наиболее чувствительной в оптике. На ее основе стали создавать многочисленные сенсорные устройства. Поскольку поверхностный поляритон представляет собой квант фотона, взаимодействующего с элементарным поверхностным возбуждением среды (в рассматриваемом случае - поверхностным плазмоном), оказалось, что глубина локализации фотона и поверхностного плазмой поляритона одинаковы. С другой стороны, ПЭВ распространяются вдоль границы раздела на макроскопические расстояния, диссипируют в металле, и поэтому очень чувствительны к изменениям оптических свойств скин-слоя металла. Это дало основание для поиска связи между характеристиками ПЭВ, оптическими постоянными металла и характеристиками световой волны в металле. Поглощательная способность (А) зеркал из благородных металлов в средней ИК области спектра А>0.3+0,5%, поэтому ее измерение не является простой задачей. Установление аналитической связи между характеристиками ПЭВ и оптическими характеристиками металла и применение методики ПЭВ позволило бы упростить задачу, создать метод оперативного контроля оптических характеристик металлического зеркала. Еще одной трудно измеряемой оптической характеристикой металла является величина температурной производной поглощательной способности. Ее знание необходимо для прогнозирования работоспособности металлических зеркал в мощных световых потоках, для оптимизации технологических режимов лазерной обработки металлов и сплавов. Поэтому возникает вопрос об установлении аналитической связи температурного

1 Е. КгйБсЫпапп. А. РЬу5. 1971. У.241 .№4. Р. 313-324.

2 .1. 5сЬоеп\уаИ, Е. Вигаап, Ш. Екоп. ЗЫ^аЬСоттипз. 1973. V. |2.№3

А\\

коэффициента затухания ПЭВ с температурной производной поглощательной способности. В проблеме физики взаимодействия мощного лазерного излучения (ЛИ) с конденсированными средами возникает необходимость рассмотрения различных процессов на исходных границах раздела сред, либо на индуцированных лазерным излучением, в условиях фазовых переходов. При этом процессы идут в приповерхностном слое конденсированной среды, собственными модами границы раздела которой являются бозоны - поверхностные поляритоны (поверхностные плазмон поляритоны и поверхностные фонон поляритоны), нерадиационные распространяющиеся электромагнитные моды. На момент постановки работы эти волны не использовались в физике взаимодействия мощного лазерного излучения с конденсированными средами. Возникал ряд вопросов от причин возбуждения этих волн лазерным излучением и направления их распространения в условиях существования положительных или отрицательных обратных связей до особенностей, связанных с их распространением по периодически гофрированным поверхностям изначально поверхпостно неактивных сред и изменений эффективной поглощательной способности поверхностей во время действия излучения и после его окончания. Было непонятно появление структур с разнообразными периодами и ориентацией, что потребовало усовершенствования экспериментальных методов их регистрации, а также разработки новых теоретических моделей для их описания. Потребовалась разработка методов и подходов, с использованием которых можно идентифицировать участие в процессах разрушения сред поверхностных плазмой поляритонов (ППП). В процессе выполнения работы появлялись отдельные публикации, выполненные в различных экспериментальных условиях и на различных материалах, что затрудняло обобщение полученных результатов и диктовало необходимость постановки целенаправленных исследований.

С созданием лазеров с ультракороткими длительностями импульсов появились сообщения о наблюдении упорядоченных структур разрушения на поверхностях и в объеме сред с существенно различными свойствами, а образующиеся решетки структур изменялись в широких пределах, как по направлениям, так и в особенности по модулю. Были предложены несколько моделей для объяснения получаемых результатов для некоторых классов материалов, однако полного набора существовавших экспериментальных данных они не объясняли и общая картина явления оставалась неясной. Заметим, что к этому времени уже была разработана двухтемпературная существенно нелинейная модель неравновесной конденсированной среды. На основе экспериментальных исследований была начата работа по их практическому применению в технологиях лазерной обработки. Все это требовало проведения исследований, направленных, в первую очередь, на разработку универсальной модели явления.

Целые диссертационной работы является развитие и обоснование, экспериментальное и теоретическое, теории взаимодействия силового лазерного излучения с конденсированными средами с существенно различными физическими свойствами для широкого диапазона длительностей ЛИ (от непрерывного до фемгосекундных длительностей), включающее следующие (задачи) этапы исследования:

1. Выбор и разработка единой универсальной качественной физической модели процесса формирования упорядоченных структур в объеме и на поверхности конденсированных сред с участием поверхностных поляритонов.

2. Разработка нелинейной математической модели образования множества периодов

микро- и наноструктур на поверхностях и в объеме конденсированных сред при воздействии поляризованного ЛИ в условиях возбуждения поверхностных поляритонов или волноводных мод под действием длинных или ультракоротких импульсов излучения.

3. Разработка и обоснование качественных физических моделей формирования упорядоченных струьггур (рельефа) в различных лазерно-индуцироваиных трехслойных структурах в условиях возбуждения ППП.

4. Экспериментальное доказательство следующих основных положений (расширенной) универсальной поляритонной модели:

- в образовании регулярных микро- и наноструктур участвует не рассеянное лазерное излучение, а поверхностные поляритоны и (или) волноводные моды;

- в интерференционных процессах, приводящих к формированию микро- и наноструктур, участвуют Блоховские (пространственные) гармоники ППП;

- фундаментальной особенностью ультракороткоимпульсного воздействия ЛИ на конденсированные среды является формирование упорядоченных наноструктур с характерным периодом, существенно меньшим величины дифракционного предела;

- доказательство формирования структур в объеме полупроводника.

5. Исследование процесса лазерно-индуцированного формирования анизотропных зерен термической рекристаллизации и квазипериодической решетки канавок термического травления на поверхностях металлов, ориентированных поляризацией падающего излучения, и разработка качественной физической модели процесса.

6. Анализ, разработка и обоснование качественной физической модели процесса генерации релятивистских латеральных пучков электронов при взаимодействии р-поляризованного ЛИ с плотностями мощности порядка Ю20 Вт/см2 с металлами.

7. Разработка экспериментальных методик определения оптических характеристик металла, включая поглощательную способность, с использованием экспериментальных измерений волнового вектора ПЭВ. Определение аналитической связи между оптическими характеристиками металла и действительной и мнимой частями волнового вектора ПЭВ, связи между температурной производной поглощательной способности и температурной производной коэффициента затухания ПЭВ. Разработка экспериментальных методов определения компонент волнового вектора ПЭВ н расчетно-экспериментальных методик определения ПС и ее температурной производной.

8. Изучение дисперсионных свойств ПГ1П границ раздела сред с пространственно неоднородной диэлектрической проницаемостью поверхностно-активной среды в плоской и цилиндрической геометриях.

9. Разработка и обоснование способов повышения эффективной поглощательной способности поверхностей конденсированных сред, основанных на возбуждении лазерным излучением поверхностных поляритонов и диссипации их энергии в среде. Разработка методов структурирования границ раздела сред на основе принципов самоорганизации (самосборки) с целью изменения их функциональных свойств. Методы исследования. При проведении исследований в части получения теоретических результатов использовались: теория уравнений математической физики - решение краевых задач волнового уравнения в цилиндрических функциях (геометриях), метод построения характеристической матрицы многослойной среды, аппарат теории нелинейных динамических систем, некоторые положения синергетики и теории нелинейных дисснпативных систем, численные методы решения уравнений.

Использовались основные положения теории поверхностных поляритонов, разработанные экспериментальные методы зондирования границ раздела сред ПЭВ на созданных макетах установок. При выполнении исследований почти все эксперименты сопровождались теоретическими оценками результатов, полученными из известных теоретических положений и соотношений. Особое внимание уделялось контролю и управлению, поляризацией ЛИ. Облучение проводилось в атмосфере газов различного состава и в вакууме. Распределение интенсивности в поперечном сечении пучка контролировалось различными методами, включая использование ПЗС-матриц. Использовалась рефлексометрическая методика исследования структур в сочетании с оптической, электронной, зондовой (ACM, СТМ) микроскопией и профилометрией. Научная новизна

Впервые в мировой литературе предложены универсальная поляритонная модель лазерно-индуцированного разрушения конденсированных сред и ее расширение на случай нетермических фазовых переходов. Предложена принципиально новая нелинейная математическая модель, описывающая поведение пространственных периодов структур в рамках поляритонной модели, в том числе структур с периодами ниже величины дифракционного оптического предела.

1. На основе предложенной универсальной поляритонной модели развит ряд частных моделей, описывающих процессы в конкретных системах и условиях облучения.

2. Обнаружена и исследована анизотропия процесса рекристаллизации поверхности металла под действием импульсного линейно поляризованного ЛИ и предложена новая модель для объяснения явления.

3. Предложена новая микроскопическая модель для объяснения явления генерации направленного релятивистского пучка электронов петаваттным р-поляризованным ЛИ.

4. Впервые в мировой литературе интерпретированы упорядоченные структуры разрушения поверхностей конденсированных сред, возникающие под действием радиально и азимутально поляризованного ЛИ, и показана возможность фокусировки возбуждаемых радиально поляризованным излучением ППП в пятно дифракционных размеров.

5'. Впервые в мировой литературе интерпретировано образование существенно субволновых упорядоченных структур разрушения поверхностей конденсированных сред на основе интерференции с участием канальных ППП (КП1П1). Предложен принцип самосборки упорядоченных массивов наноструктур с плотностью ~109 см " в условиях возбуждения ЛИ ППП и КППП.

6. Предложен ряд новых оптических схем повышения эффективности лазерной обработки'материалов на основе диссипации дополнительной энергии возбуждаемых ЛИ мод поверхностных поляритонов (ПП) и волноводных мод (ВМ).

7. Впервые предложена схема и реализован гетеродинный ПЭВ-интерферометр для определении фазовой скорости ПЭВ и оптических постоянных металла.

8. Предложен новый метод определения частоты электрон-фононных столкновений в металле на основе измерения температурной зависимости коэффициента затухания ПЭВ.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Универсальная , поляритонная модель лазерно-индуцированного разрушения конденсированных сред, справедливая для диэлектриков, полупроводников и металлов в широком диапазоне длительностей излучения, вплоть до фемтосекунд, и диапазоне

6

плотностей мощности до 10м Вт/см2. Модель основана на участии в интерференции поверхностных поляритонов. На ее основе предложена физическая интерпретация явлений динамического изменения поглошательной способности и образования упорядоченных микроструктур, вектор решетки которых параллелен тангенциальной проекции вектора напряженности электрического поля ЛИ, в том числе:

• мелкомасштабных структур ((¡«?Л па поверхностях металлов, имеющих метаплоподобные окислы и в условиях образования металлической плазмы низкопорогового приповерхностного оптического пробоя;

• мелкомасштабных структур (с1 < Уп) на выходных поверхностях диэлектрических пластин с низкой величиной показателя преломления п;

• наноструктур показателя преломления в цилиндрических микроканалах 4Н-51С;

• микроструктур рельефа, картина дифракции Фраунгофера которых имеет симметрию вращения шестого порядка относительно нормали к поверхности (111) германия;

• наноструктур рельефа вдоль гребней основного резонансного рельефа.

2. Нелинейная математическая модель на основе унимодального логистического отображения, обобщенная на случай порядка Шарковского, объясняющая разнообразие кратных длине волны ЛИ упорядоченных микро- и наноструктур, образующихся в конденсированных средах (плазме, электронном газе) под действием линейно поляризованного ЛИ в условиях возбуждения поверхностных поляритонов и ВМ. Модель объясняет образование регулярных структур с периодами, много меньшими величины дифракционного оптического предела и допускает обобщение на случай нестандартной поляризации излучения - азимутальной, радиальной.

3. Качественная физическая модель генерации релятивистских латеральных пучков электронов при взаимодействии р-поляризованного ЛИ мощностью ~ 1020 Вт/см с плоской металлической мишенью, основанная на возбуждении мощной волны поверхностных нлазмон поляритоиов и увлечении ею электронов слоя пространственного заряда. Модель объясняет генерацию направленных пучков релятивистских электронов при облучении цилиндрической металлической мишени лазерным излучением.

4. Результаты экспериментальных исследований, в которых обнаружена анизотропия роста зерен на поверхности металла, ориентированных поляризацией импульсного лазерного излучения, завершающаяся формированием квазирешеток канавок термического травления. Предложена физическая модель и дана интерпретация явления, основанная на возбуждении ППП, увлечении ими электронов скин-слоя и перемещении границ зерен под действием потока направленных электронов. Модель объясняет известные экспериментальные данные по генерации лазерным излучением направленных токов в системах с возбуждением ППП (геометрия Кречмана, тонкие пленки с решеточным возбуждением, жгуты металлических нанопроводов).

5. Физические принципы лазерно-индуцированной самосборки (самоорганизации) массива упорядоченных структур микро-и нанорельефа с плотностью - 10 см на поверхностях металлов и полупроводников на основе интерференции с участием ППП.

6. Решение задач о существовании поверхностных поляритонов в плоской и цилиндрической геометриях на границе раздела диэлектрик - поверхностно-активная среда с экспоненциально просгранственно изменяющейся диэлектрической

проницаемостью и н слоистых структурах. Обнаружено возникновение максимума дисперсионной кривой.

7., Аналитическое соотношение, связывающее оптические характеристики металла и компоненты волнового числа ПЭВ для случая слабо аномального скин-эффекта. Установлено соответствие величины поглощательной способности, определенной по измеренному коэффициенту затухания ПЭВ, и полученной стандартным методом. Разработан метод экспериментальной гетеродинной ПЭВ интерферометрии для измерений фазовой скорости ПЭВ и плазменной частоты металлов (А/с №1732291). 8. Результаты экспериментальных исследований, в которых установлено, что с использованием экспериментально измеренной величины температурного коэффициента затухания ПЭВ (а) можно определить минимальную величину а для данного металла, обусловленную электрон-фононными столкновениями. Практическая значимость работы.

Изменение фазы прошедшего (отраженного) излучения за счет приобретаемой анизотропии свойств материалов при формировании микро- и наноструктур может быть использовано для разработки и создания оптических элементов различного функционального назначения. Увеличение излучателыюй способности микро- и нано структурированных поверхностей металлов может быть применено при разработке более эффективных ламп накаливания. Формирование резонансных структур при взаимодействии ЛИ с конденсированным средами обеспечивает дополнительное поглощение энергии ЛИ, увеличивая эффективность фотоприемных устройств, лазерной обработки, позволяет изменять характеристики реза (А/с №1466136, А/с №1043929,А/с №1181413, А/с №1374613, патент РФ № 1251747, патент РФ №22278402, патент РФ №2347739). Например, взаимодействие радиалыю поляризованного ЛИ с образованием резонансных структур в материалах открывает возможности по фокусировке дополнительно поглощаемой энергии ПП в пятно дифракционных размеров, что обеспечивает более высокую эффективность лазерной обработки, например, резки металлов, позволяет создавать динамический лазерный пинцет и др. Знание теоретических основ процессов формирования резонансных микроструктур под действием излучения нетрадиционных поляризаций позволит разработать приборы контроля состояния поляризации ЛИ. Эффекты самосборки с участием ГОШ и КППП позволят реализовать технологии формирования растров конических острий (катодов Спиндта) с плотностью острий ~109 см"2 и радиусом кривизны вершины острия ~(1 - 2) им для автоэмиссионной электроники, сенсоров, осветительных ламп нового поколения. Осуществление анизотропной рекристаллизации и формирование квазирешеток рельефа в скин-слое металла создает уникальные возможности изменения поверхностных свойств металла при неизменных объемных, что востребовано в современных нанотехнологнческих устройствах. Эффект увлечения электронов поверхностными плазмон поляритонами позволяет объяснить ряд явлений, например, генерацию под действием ЛИ гигантских токов в жгутах нанопроводов, генерацию тока светом в металле (прямое преобразование света в электрический ток). Формирование упорядоченных структур с периодом, существенно меньшим величины дифракционного оптического предела на поверхностях и в объеме Сред, дает возможность разработки устройств памяти с высокой плотностью, сверхплотных растров наноструктур для биообъектов и других целей. На основе предложенной микроскопической модели генерации направленных релятивистских

пучков электронов при облучении металлической мишени могут быть разработаны и созданы каскадные ускорители электронных пучков. Использование предложенного и реализованного метода гетеродинном ПЭВ-интерферометрии позволяет определять оптические постоянные металлов. Использование поляризованного по кругу излучения позволяет формировать на поверхностях конденсированных сред микроструктуры со строго определенными размерами, пропорциональными длине волны ЛИ фс длительности. Инвертирований резонанс на ППП может быть использоваи для создания сенсоров на ППП с более высокой чувствительностью. Изучение температурной зависимости коэффициента затухания ПЭВ в металле позволяет определить температурную зависимость поглощательной способности, выделить частоту столкновений, обусловленную электрон-фононными процессами. Результаты определения дисперсионного соотношения в средах с пространственно изменяющейся диэлектрической проницаемостью могут быть использованы для создания устройств, содержащих структуры, поддерживающие распространение медленных ППП, для формирования упорядоченных структур с масштабами, меньшими величины дифракционного оптического предела, без привлечения нелинейных процессов. Апробации работы и публикации. Основные результаты диссертации отражены в 90 научных публикациях в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе в 50 статьях, 3 патентах на изобретения, 6 авторских свидетельствах.

Материалы диссертации обсуждены на следующих научных форумах: III Всесоюзной конференции «Оптика лазеров» (Ленинград, 1980 г.); XI, XII и XIV Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Ереван, 1982 г., Москва, 1985 г. Ленинград 1991 г.); IV-VII1 Всесоюзных конференциях по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Ленинград, 1979, 1981, 1988, 1990 гг., Вильнюс, 1984 г.); VIII Вавиловской конференции по нелинейной оптике (Новосибирск, 1984 г.); I - IV Всесоюзных семинарах «Оптика поверхности» (пос. Овсяное, 1982 - 86 гг.); V Всесоюзном семинаре «Фотофизика поверхности» (Ленинград, 1989 г.); Международной конференции «Оптика. Стекло. Лазер-95» (Ленинград, 1995 г.); Всероссийской конференции с международным участием «Сенсор-2000» (Санкг-Пегербург, 2000 г.); X1-XII международной конференции по нерезонансному взаимодействию оптического излучения с веществом (Пушкин, 2000, 2003 гг.); X международной конференции "Лазерная микротехнология» (Санкт-Петербург, 2003 г.); International Conference on Advanced Optoelectronics & Lasers (Ukraine, Kharkov, 2005, Yalta, 2006); VI, VIII, XI International Conference on "Laser and Fiber Optic Network Modeling" (Ukraine, Kharkov, 2004, 2006, Sevastopol, 2010); Международной конференции «Кремний-2004» (Иркутск, 2004 г.),; Международной конференции «Лазеры. Измерения. Информация»-2006-2012, (Санкт-Петербург, 2006-2012 гг.); International Conference «Days on Diffraction 2006-2012» (Saint-Peiersburg, 2006-2012); International Conference Fundamentals of Laser Assisted Micro & Nanotechnologies (St-Petersburg, 2007); 9-th International Conference on Laser Ablation (Tenerife, Spain, 2007); Международной конференции X Харитоновские тематические научные чтения. «Мощные лазеры и исследования физики высоких плотностей энергии» (Саров, РФЯЦ ВНИИЭФ, 2008 г.); 3th International Conference on Advanced Optoelectronics and Lasers CAOL-2006. Ukraine, Kharkov, 2006; Международная конференция «Прикладная 0птика».2002-2012 гт. (СПб, 2002-2012 гг.); IV Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы создания

лазерных систем», г. Радужный, 2008 г.; Российско-германский семинар-совещание по вопросам внедрения лазерных технологий в отечественную промышленность. СПб, ФАНИ, 2008 г.; 52-th IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems. USA, 2009; Mini-colloquium & International Workshop «Modem challenges in microwave superconductivity, photonics and electronics». Ukraine, Kharkov ( A.Ya. Usikov Inst, for Radiophysics and Electronics, 2009); International Conference "Fundamentals of Laser Assisted Micro-& Nanotechnologies" FLAMN-10). Pushkin, 2010; 10-th International Conference "Laser and Fiber-Optic Network Modeling". Sevastopol, 2010; 21 международная научная конференция по фотонике и приборам ночного видения. Москва, Орион, 2010 г.; Международная конференция «XII Харитоновские чтения. Проблемы физики высоких плотностей энергии». Саров, РФЯЦ ВНИИИЭФ; 1-st International Workshop on Nonlinear Photonics.NLP-2011 (Kharkov, 2011); Международная конференция «Лазерно-информационные технологии в медицине, биологии и геоэкологии». (Новороссийск, 20112012 гг.); Научная сессия МИФИ, Москва, 2010-2011 гг.; Всероссийская научная конференция по фотонике и информационной оптике, Москва, МИФИ, 2012; 32-th International Conference «Progress in Electromagnetics Research Symposium". PIERS. Moscow, 2012; низкоразмерный семинар ФТИ им. А.Ф. Иоффе, 2013.

Полученные в главе 5 результаты частично вошли в монографии: Trokhimchuck P.P. Foundations of Relaxed Optics. - Lutsk:Volyn' University Press "Vezha", 2011. 627 p.; Trokhimchuck P.P. "Nonlinear and Relaxed Optical Processes. Problems of Interactions". Lutsk: Vezha-Print. 2013. 280 p.

Исследования поддерживались грантами РФФИ К« 94-02-05802, №09-02-00932а, грантами Международного научного фонда и правительства России No RNS300 и No R3W300, грантом INTAS No 03-51-4924, фантом ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (мероприятие 1.2.1, ГК№16.740.11.0463). Личный вклад автора. Автору принадлежит постановка и теоретическое обоснование поляритонной модели, нелинейной математической модели для описания структур разрушения, модели формирования релятивистского электронного пучка, модели анизотропной рекристаллизации, физических моделей формирования структур. Автором указаны основные пути решения задач, поставленных в работе, разработана методология и проведены экспериментальные исследования. Теоретические исследования дисперсионных соотношений цилиндрических поверхностных плазмон поляритонов (ЦПП) выполнены под его руководством совместно с Е.И. Логачевой и Д.С. Смирновым. Остальные теоретические исследования выполнены лично автором. Эксперименты проводились при его непосредственном участии и ведущей роли на стадии анализа и интерпретации результатов. Экспериментальные исследования осуществлялись при творческом участии сотрудников НИИ ОЭП Ю.И. Пестова, В. В. Баженова, В.В. Трубаева, С.Д. Пудкова. Диссертация основана на статьях совместно с ними и A.M. Бонч-Бруевичем, М.Н. Либенсоном, Р.С. Макиным, В.Е. Приваловым, Е.И. Логачевой, Д.С. Смирновым. •

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и 4 приложений, а также содержит 140 рисунков, 2 таблицы и 516 библиографических ссылок. Общий объем диссертации 384 страницы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, обозначены цели и задачи исследований, изложены научная новизна и практическая значимость работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, приведен обзорно-аналитический материал исследований существования, распространения и взаимодействия мощных световых волн с конденсированными средами.

В первой главе решены задачи существования поверхностных поляритонов в средах с пространственно неоднородной диэлектрической проницаемостью.

В разделе 1.1, имеющем методический характер, рассмотрена задача о существовании ПП плоской границы раздела однородных изотропных сред, одна из которых является поверхностно-активной средой (ПАС). Приводятся выражения для полей и дисперсионное соотношение (ДС) для ПП и показывается, что основная часть энергии ПП переносится в поверхностно-неактивной среде (воздухе), и отношение плотностей потока энергии волны в диэлектрической среде к ПАС изменяется ~о-2, где ш- частота волны. В разделе 1.2 рассмотрена задача о существовании поверхностных поляритонов плоской границы раздела двух полубесконечных сред вакуум - ПАС для случая ПАС с пространственно неоднородной диэлектрической проницаемостью вида: /Л» = £ь(а>)ехр (1а) ¿О) = йьЫехр (+2) (16)

Ось г направлена по нормали к границе раздела в вакуум. Получены выражения для напряжеиностей электрического и магнитного полей и найденные из условия непрерывности тангенциальных составляющих полей на границе раздела сред дисперсионные соотношения для ПГ1. В случае ¿(г) = £0(<у)ехр (+дисперсионное соотношение имеет вид, соответственно:

+ = О, У * 1,2,... (2а)

+ = п = 1,2,...

+ = ^1,2,... (26) 2^0 + (л + 1)-/^^ = 0, « = 1,2,...,

Здесь = 25£()Л/-г-„; Ку(г)~ функция Макдональда, 1п(/Т) - модифицированная

функция Бесселя, V = [1 + (2*/с, )2 ]''2, р„ = {к 2Х - к1)''2, к0 = —, кх - волновое число ПП,

с

со - частота, с — скорость света в вакууме. Показано, что в предельном случае больших градиентов диэлектрической проницаемости в приближении Кс (5«1 экстремум функции со = (¡Ккх), отвечающий равенству нулю групповой скорости, есть максимум. На фиксированной частоте могут существовать два ПП с различными значениями волновых векторов. ПП отрицательной ветви имеют отрицательную групповую скорость и при сравнительно низких частотах кх»к0 (см. рис.1). Получены выражения для

1 Е. Buisiein, W.P. Chen, YJ. Chen, A. Harstein. J. Vacuum Scicncc and Technology. 1974. V. 11. No 6.

11

амплитудных коэффициентов отражения р-поляризоваиного излучения для двух случаев изменения ф) вида (1а,б) через Я^СШ^ЧД »^'(ДЬ/^'О?) и функцию Бесселя/,,(Д): Приведены выражения для длин распространения ПП. Получено выражение для коэффициента отражения р-поляризоваиного излучения и показано, что максимум

Рис. I. Изменение дисперсионной кривой для

ш=кс

поверхностных поляритонов при наличии на поверхности поверхностно-активной среды слоя с отрицательной диэлектрической проницаемостью £0,|£0| < 1. для разных толщин металлоподобного

слоя Видно появление на данной частоте

второго ПП. для которого на низких частотах кг » кг .

поглощательной способности отвечает значению параметра = 50: х0/с0 = 1 —

£г/\ей\г > Д-1Я которого

<4„М=:

(3)

(2е1~\£а\2)2 +2^-е2) зависит лишь от комбинации действительной и мнимой частей величины £0. Показано, что в асимптотическом пределе в-^+оо дисперсионное соотношение сводится к обычному ДС границы раздела однородных полубесконечных сред. В разделе 1.3 рассмотрена задача существования цилиндрических поверхностных плазмон поляритонов (ЦППП) в трехслойной структуре вакуум (Ез) - металлоподобный слой (£2) - металл ((81). Геометрия задачи приведена на вставке рис.2. Пользуясь известным решением уравнений Максвелла в цилиндрических координатах для электрического и магнитного полей4, и ставя граничные условия непрерывности тангенциальных компонент полей Е и И, приходим к системе линейных уравнений для неизвестных коэффициентов, решение которой дает характеристическое уравнение

к, кг А, А,

(4)

ку к2 А„ А2

При заданных величинах Я,,г,,оно определяет ДС ПП в цилиндрической геометрии а = т(к.) для ТМо моды. Численные решения дисперсионного соотношения получены с использованием математического пакета МаШСАГ) для модельного случая, когда диэлектрическая проницаемость тонкого слоя порядка (-1), то есть слой малой толщины (е, ) имеет металлоподобные свойства: его плазменная частота существенно отличается от плазменной частоты металла. Частотная зависимость диэлектрической

4 J.A. Stratton Electromagnetic Theory. McGraw-Hill. New Yoik. 1941

12

проницаемости металла e^to) бралась из экспериментальных данных5 для платины. При отыскании собственных мод мнимая часть г, (¿и) не учитывалась. Для анализа выбрана фиксированная частота излучения, соответствующая длине волны Я=10,6 мкм. Из рис.2 следует, что дисперсионная кривая имеет максимум, а отрицательная ветвь характеризуется большими величинами волновых чисел, которые растут как с уменьшением толщины слоя, так и с ростом радиуса цилиндра. Заметные изменения волнового числа ЦППП наблюдаются в области малых диаметров, Ri< 1мкм. Две ветви ЦППП на фиксированной частоте излучения (Л= 10,6 мкм) существуют в узком диапазоне -0,8<С;><-0,2, который сужается при переходе в видимую область.

Рис.2. Дисперсионные зависимости для цилиндрических поверхностных плазмой поляритонов в слоистой системе, схематически изображенной на вставке, для некоторых сечений нанопроволоки: I - — 50 нм, 2 - /?, = 100 нм, 3 - R, = 1 мкм и одинаковой толщины тонкого слоя t = 10 нм. е2 = — 0.8.

В разделе 1.4 решена задача существования ЦППП для случая убывающей (возрастающей)

экспоненциальной функции радиуса цилиндра вида:

е = е„ехр(+-£^); (5)

а

Знаки + соответствуют убыванию или возрастанию е , соответственно; р - радиальная координата; рй - радиус цилиндра; £д - диэлектрическая проницаемость на границе раздела ( C(l <0),d = à (ai) - характерный масштаб изменения е на выбранной частоте <в. Здесь: - диэлектрические проницаемости цилиндра и окружающей среды, соответственно; X] =q2 — к? - коэффициенты затухания; А, = —ки -Jcjt/ , i=l,2 - волновое число; к0 =(О/С-волновое число света в вакууме; <J - проекция волнового числа на ось z .Дисперсионное соотношение для цилиндрических ППП (ТМ0 - мода) связывает волновое число моды с частотой возбуждения, радиусом цилиндра и диэлектрической проницаемостью:

К(Р„) К,(/2р0)=0 (6)

zf IKJP) ь2 KJZiPn)

Функция IV является аналогом известных цилиндрических функций и появляется вследствие пространственной радиальной зависимости е(р) металла:

W{p) = p"YW„p\ (7) »=1

Здесь W0 =1, IV =0, W, = К. »¿(Tl)'^.

n[n + 2m) d yrç dFp\

5 J.H. Weaver. Phys. Rev. В. 1975. V. 11.

Типичная дисперсионная кривая для ТМ0- моды и убывающей функции диэлектрической проницаемости при р0 =200 им и £0 =_1 имеет возрастающую (положительная дисперсия) и две убывающие (отрицательная дисперсия) ветви, и максимум <Игои, рис. 3. Вторая ветвь отрицательной дисперсии соответствует ППП с большими волновыми числами (меньшими длинами волн) по сравнению с положительной ветвью. Зависимости, полученные для случая возрастающей функции диэлектрической проницаемости, аналогичны полученным в разделе 1.3. Рис.3. Дисперсионная кривая для цилиндрического поверхностного плазмои поляритона и убывающей функции диэлектрической проницаемости: зависимость нормированной частоты О)!0)р от

нормированного волнового числа кр 0)р =101?

с ', Ree = -1. д, =200 им. Вторая глава посвящена изучению формирования поверхностных

периодических структур (ППС) на поверхностях полупроводников под действием ЛИ. Объяснение эффекта основано на представлениях о частичном преобразовании ЛИ в поверхностные световые волны (ПСВ). Возникновение ППС связано с интерференцией ПСВ и падающего излучения и характеризуется определенной ориентацией вектора формирующейся решетки д относительно проекции вектора электрического поля ЛИ на плоскость поверхности (Я^). Поляритонный механизм формирования ППС из исходного затравочного микрорельефа заключается в интерференции поля падающего излучения и полей возбуждаемых им ПП, распространяющихся вдоль поверхности в различных направлениях, пространственно промодулированном разогреве в интерференционном поле и вызванным им изменении высоты рельефа (h) либо диэлектрической проницаемости на выделенной пространственной частоте в результате различных физико-химических процессов на поверхности. Изменение глубины модуляции обеспечивает обратную связь по амплитуде структур, приводит к росту резонансных структур, от амплитуды которых зависит эффективность возбуждения ПП и глубина модуляции интерференционного поля.

В разделе 2.1 рассмотрен ряд аспектов теории формирования ППС в рамках поляритонной модели, необходимых для постановки экспериментальной работы и анализа полученных данных. Анализ дифракционного возбуждения ПП основан на результатах решения задачи о дифракционном возбуждении ПП на бесконечной металлической дифракционной решетке плоской электромагнитной волной6. Обращено внимание на то, что одна из интерферирующих волн распространяется вдоль облучаемой поверхности. Рассмотрены упорядоченные сгруктуры, возникающие при взаимной интерференции полей поверхностных поляритонов

В разделе 2.2 описана экспериментальная установка, созданная для формирования ППС и изучения их параметров. Ее основу составляет лазер на основе ЛТИПЧ-8 (А,=1.06 мкм,

(О

6 S.S. Jha, J.R. Kirtley, J.S. Tsang.. Phys. Rev. B. 1980. V.22. No 8.

14

т=20 не, Е 20 мДж, 1= 12.5 Гц). Для изучения микроструктур рельефа использована рефлексометрическая методика в сочетании с оптической и зондовой микроскопией. Раздел 2.3 посвящен экспериментальному изучению рельефа, формирующегося на полупроводниках (кремний, германий) при интерференции полей ПП и ЛИ (основные ППС). Формируется большой набор решеток, отвечающих отклонению направлений распространения ПП (характеризуемых углом fi — к,, kt) от наиболее эффективного на Др ~ 30 ...40° Под действием р-поляризованного излучения и углах падения в<40...45° большим инкрементом нарастания обладают структуры с периодами = A/Crj+sinÛj > когда Р=0, к; при действии s-поляризованого - с da = — sin? (fy1^2 ^ когда fitt = ±arccos(_tf1 и в образование ППС вносят вклад два ПП. Здесь Л = RskJka,

-проекция волнового вектора света на плоскость поверхности, ко=ш/с. Обнаружена взаимосвязанная динамика с ростом числа импульсов ЛИ (N) противофазных колебаний дифракционных эффективностей (ДЭ) двух групп решеток д+ и в~ ; в опытах наблюдалось до (5+6) максимумов ДЭ. Наличие динамики решеток качественно объяснено влиянием глубины формируемого рельефа на ДС для ПП и распространением ПП, возбуждаемых на резонансных решетках, на конечные расстояния. Изучено формирование «двойных» ППС - двух ППС одинаковой ориентации, но с несколько отличающимися периодами (Ad). Показано хорошее согласие экспериментальных данных с теорией, основанной на учете фазового сдвига между интерференционным распределением интенсивности воздействующего излучения и решеткой, определяющего инкремент нарастания структур, согласно которой для гидродинамического механизма Ad=di-d2= |2 =200 А. Здесь е =е i +is г - комплексная диэлектрическая проницаемость расплава полупроводника.

Различие в дисперсионных свойствах ПП и света позволило отличить ПП от дифрагированного объемного излучения в интерференционных процессах формирования ППС на металлах и полупроводниках. Это обстоятельство является ключевым моментом для дискриминации механизма формирования структур. Установлено, что 1 = (0,004-н 0,2) + 0,001 дЛЯ германия и аитимонида индия, причем с ростом N величина (т)-1 ) растет (за счет роста глубины рельефа и роста окисла на поверхности). В разделе 2.4 дано объяснение экспериментально обнаруженному новому набору ППС, дополнительному к основным ППС, основанное на учете взаимной интерференции полей ПП. Рассмотрены дополнительные ППС, возникающие при действии p-, s- и поляризованного по кругу излучений. Взаимная интерференция полей ПП позволяет объяснить формирование ППС с периодами ЯУт); = под действием р-

поляризованного излучения, а также квазинепрерывного по периодам и ортогонального по ориентации набора решеток с характерным периодом (4 V7) мкм. Полученные микрофотографии облученных областей поверхности с обнаруженными структурами, подтверждают предложенное объяснение.

В разделе 2.5 дано объяснение экспериментальным результатам7 по формированию под действием поляризованного по кругу излучения (А.=1.06 мкм, х= 100 пс, 6=0°) рельефа на поверхности (111) германия, ДЭ которого имеют гексагональную симметрию вращения

' Р.М. Fauchct, А.Е. Siegman. Appl. Phys. AI983.V.32No3.

15

относительно нормали к поверхности. Объяснение основано на интерференции падающего излучения с возбуждаемыми ПП всех возможных направлений распространения, взаимной интерференции Г1П с ПП шести выделенных направлений распространения, задаваемых системой образующихся микротрещин поверхности (111), учетом интерференции пространственных (Елоховских) гармоник ПП. Образование оптически тонкого слоя расплава связывается с низкотемпературным фазовым переходом поверхности (111) германия Тс=1050 К8 в процессе короткоймпульсного разогрева. В разделе 2.6 рассмотрено образование группы дополнительных микроструктур, формируемых на поверхности монокристаллического InSb серией импульсов р-поляризованного излучения: d|=Ay(2sin9), d2=A./2, dj,4~ Х/[2 (1 ± sin0)]. Экспериментально обнаруженный дополнительный периодический рельеф объяснен как результат взаимной интерференции набора первых (±1) пространственных гармоник ППП, возбуждаемых на гофрированной поверхности расплава полупроводника, имеющей частично перекрывающиеся области поверхности решеток рельефа с волновыми векторами 8 "и в*. Интерференция пространственных (Блоховских) гармоник ППП впервые привлекается для объяснения периодов и ориентаций формируемых упорядоченных структур.

В разделе 2.7 развита модель формирования рельефа на поверхностях конденсированных сред с различными физическими свойствами иод действием интенсивного когерентного излучения. Она включает два последовательных этапа: а) возникновение неориентированного поверхностного микрорельефа (изменение диэлектрической проницаемости), обладающего спектром пространственных частот, резко отличающихся от спектра начальных шероховатостей и б) перестройку рельефа (пространственных частот диэлектрической проницаемости) в упорядоченный на пространственных частотах, период и ориентация которых отвечают условию резонансного возбуждения ПП ЛИ, а начальная высота оказывается достаточной для роста ППС за несколько световых импульсов. Возникновение пространственных неустойчивостей по предложенной схеме проиллюстрировано на модельном примере.

В ' разделе 2.8 изучено взаимодействие миллисекундных импульсов линейно поляризованного ЛИ с кремнием. Эксперименты проводились на установке на основе лазерного излучателя на стекле с неодимом (Х.=1.06 мкм, т=1,3 мс) при различных углах падения; поляризации и плотностях мощности (q) ЛИ, вызывающих частичное плавление поверхности. Было обнаружено образование структур рельефа, период которых изменялся кратно X ЛИ с ростом плотности мощности излучения: X, 2Х, ЗА. (в«0") (часть порядка Шарковского, см. раздел 6.2). Структуры с большим периодом имели больший разброс по величине периода. При падении под углом (р-поляризованное излучение) наблюдалась обычная угловая зависимость периода. На основе проведенных экспериментов и теоретического анализа показано, что в проблеме, получившей название анизотропного плавления поверхности полупроводников9, формирование микроструктур рельефа поляризованным ЛИ обусловлено интерференционными процессами с участием ППП. Экспериментально обнаружена неустойчивость формирования гребней основного

8 N. Takeuciii, A. Selloni, Е. Tosatti. Phys. Rev. Lett. 1994. V. 72. No 14.

9 Т.Н. Львова. Диссертация кандидата физико-математических наук. Казань. 1999.

16

резонансного микрорельефа, распадающихся на совокупность отдельных выступов острийного типа. Обсуждается механизм их формирования, основанный на изменении плотности материала в точке плавления и частичном смачивании расплавом своей твердой фазы. В заключение главы обобщены полученные результаты и сформулированы краткие выводы.

В главе 3 изучено образование упорядоченных микроструктур при взаимодействии ЛИ с металлами. В разделе 3.1 приведены результаты экспериментального изучения формирования ППС на установке, описанной в разделе 2.2. По ориентации и периоду ППС было выяснено, что их формирование обусловлено интерференцией полей ППП и ЛИ. Изучение начальной динамики решетки За (6>= 6°) позволило выявить непрерывное уменьшение векторов формируемых решеток, а затем и их увеличение, сопровождавшееся уширением рефлекса, завершающееся выходом системы нз резонанса. Теорепиескнй анализ ДС трехслойной системы став металла - окисная пленка - воздух дает:

<М ^ С

К 2е

ЯЫП {~еТ

(8)

где £- диэлектрическая проницаемость сплава, ^ и Ь, соответственно, диэлектрическая проницаемость и толщина окисной пленки. Из (8) и с1~27т:/к.ч следует, что знаки изменения периода рельефа различны для случаев увеличения модуля диэлектрической проницаемости металла и для увеличения толщины окисной пленки. Можно показать, что период структур с использованием модели Друде для е(о) металла — ¿/(а2 + определяется лишь плазменной частотой сплава и не зависит от частоты столкновений у, поэтому изменение периода при селективном окислении сплава

(9)

Из (8) следует, что изменение ¡1 за счет роста толщины окисла Ь Лй = , где

ЯеР>0 есть комбинация диэлектрических проницаемостей сплава и пленки. Т.о. рост периода связан с селективным окислением сплава, а уменьшение - с ростом Ь пленки. В разделе 3.2 приведены результаты изучения формирования ППС на окисляющихся металлах под действием линейно поляризованного излучения СОд лазера. Обнаружено, что в условиях термохимического механизма формирования ППС образуется как ППС с с1~А., так и ППС с <1-0,1Л, с ориентацией отвечающей интерференции ЛИ с модами ТМ типа. Для объяснения причин формирования ППС привлечена поляритонная модель. Согласно результату решения задачи (см. раздел 1.2), моделирующей эксперимент, в среде с пространственно неоднородной диэлектрической проницаемостью (при 0>£«(м)>-1 и 25к1)(-Ео)"2«1) существенно изменяются свойства ПП: в дисперсионной кривой появляется ниспадающая ветвь, для которой при низких частотах к5»ко. Период рельефа, образующегося при интерференции полей ПП этой ветви и ЛИ й = — I}]-1.

Формирование ППС с <1—О, IX. на поверхностях металлов (титан, молибден, хром, ...) связано с образованием металлоподобных окислов с 1.

В разделе 3.3 приведены результаты экспериментального обнаружения и исследования явления лазерно-индуцированной (А_=1.06 мкм, Т|=100 нс,Тг "10 не) анизотропии роста зерен рекристаллизации поверхностного слоя металла (титан марки ВТ1-0), завершающейся формированием ориентированной поляризацией квазирешетки канавок термического травления. Эффект наблюдался при действии линейно поляризованного ЛИ

17

с т~ 100 не и 10 не. Характерный квазипериод рельефа составлял »5 мкм, имел ориентацию д ±£^и возрастал с ростом q до (6-г7)мкм >> X. Эффект наблюдался при я, не превышающих порог плавления поверхности. Характерная особенность канавок термического травления (рис.4) - сформированная локально гладкая поверхность металла.

Рис.4. Фрагмент области формирования квазипериодического рельефа g в виде канавок термического травления, полученный с помощью микроскопа атомных сил (АСМ) па поверхности титана:

Предложена качественна физическая модель процесса, основанная на возбуждении ЛИ на границах зерен ППП и увлечении ими электронов скин-слоя металла. Под действием импульса электронов возникает сила, приводящая к перемещению границ зерен, нормаль которых коллинеарна направлению распространения ППП. Эффект образования квазирешеток аналогичной ориентации наблюдался под действием серии импульсов линейно поляризованного фемтосекундиого ЛИ1", и интерпретирован нами как анизотропная рекристаллизация поверхностного слоя титана в рамках предложенной модели.

В разделе 3.4 рассмотрено образование микро- и наноструктур на поверхности титана под действием серии импульсов 100 не и 10 не линейно поляризованного YAG:NdJ^lM. При действии импульсов с т=10 не обнаружено наноструктурирование гребней основного резонансного микрорельефа, с периодом d=0.23 мкм, интерпретированное как результат интерференции ЛИ излучения с канальными ППП (см. раздел 5.8). С ростом N наноструктуры эволюционируют в упорядоченные наноострийные конические структуры, с высотой конусов порядка (40 + 50) нм и радиусом кривизны вершины порядка 5 нм. Полученный результат показывает возможность самосборки упорядоченных растров структур, с плотностью структур в растре ~4 10s см'2, а с уменьшением X до 0.53 мкм возможно получение растров с плотностью 10У см'2. Эксперимент1 по формированию упорядоченного растра нанострукутр на поверхности кремния линейно поляризованным

10 М. Tsukamoto, К. Asuka, Н. Nakano, М. Hashida, М. Kattu, N. Abe, М. Fujita. Vacuum. 2006. V.80. Issue 11 -12.

11 S. Watarabe. Y. Yoshida, S. Kayashima, S. Yatsui, M. Kawai, T. Karo. J. of Appl. Phys. 2010. V. 108. No. 10.

18

ЛИ (Х=0.53 мкм, Т=7 ис) с плотностью острий ~2 109 см"2, радиусом кривизны вершины острия ~{|-г2) им есть результат эффекта самосборки и аналогичен приведенному для Ti. В разделе 3.5 проанализированы эксперименты по уменьшению динамической отражательной способности и формированию микроструктур рельефа поверхности металлического зеркала под действием серии ~ 1 не импульсов излучения СОг лазера12. Предложена нелинейная физическая модель, объясняющая экспериментальные результаты и основанная на изменении ДС для ППП при формировании плазмы низкопорогового оптического пробоя (НОП) поверхности. ДС трехслойной системы вакуум - плазма - металл для ППП существенно изменяется при достижении малых отрицательных значений диэлектрической проницаемости плазмы (см. раздел 1.2.): появляется максимум дисперсионной кривой (см. рис.1) и возможность возбуждения на одной частоте ППП с двумя различными волновыми числами. Образование динамической резонансной решетки при интерференции ЛИ с ППП отрицательной ветви обеспечивает перекачку значительной части энергии падающей волны -ПИ в ППП, энергия которых диссипирует в плазме и металле, с формированием на поверхности металла эволюционирующих с ростом N в сторону уменьшения периода ППС. Глава 4 посвящена экспериментальным исследованиям взаимодействия непрерывного и импульсного СО2 ЛИ с прозрачными средами: полупроводниками и диэлектриками. В разделе 4.1 установлены причины образования ориентированных поляризацией ЛИ мелкомасштабных ППС с d~A/n, д 1% под действием линейно поляризованного излучения непрерывного ССЬ лазера на поверхности монокристаллического кремния при изменении следующих параметров: взаимной ориентации векторов Et, kt и направления сканирования пятна по поверхности образца (у); q; смене характера поляризации; изменения скорости сканирования ЛИ. Предложена и подтверждена экспериментами модель формирования мелкомасштабных ППС, заключающаяся в образовании локального асимметричного термически индуцированного динамического волновода (dn/dT>0), возбуждения в нем ВМ ТЕ типа, интерферирующих с падающей волной, возникновении положительных обратных связей по амплитуде образующихся структур, что вызывает пространственно неоднородное распределение интенсивности поглощенного излучения и разогрев среды. Наличие выделенного направления распространения ВМ вызывает вынос ВМ энергии за пределы зоны лазерного разрушения поверхности и ее анизотропию. В разделе 4.2 экспериментально изучено воздействие линейно поляризованного импульсного СОг ЛИ (>.= 10.6 мкм, т» I мке) на поверхность полупроводников с dn/dT>0 (Ge, Si, GaAs). Изучены начальные стадии формирования рельефа. Показано, что диапазон q ЛИ для формирования основных структур рельефа(й~/1уЬ) достаточно узок. При повышенных q образование микроструктур обусловлено взаимной интерференцией ВМ (di~A.'2n). На поверхности германия впервые обнаружена и изучена неустойчивость гребней основного рельефа с характерным периодом d2~0.3 мкм, связанная с интерференционными процессами с участием канальных ППП (КППП) (см. раздел 5.8). С использованием АСМ микроскопа обнаружена существенная несинусоидалыюсть сформированного микрорельефа, обусловленная механизмом «записи» в цикле локальное плавление - кристаллизация, с ростом N развивающиеся в конусообразные структуры с

12 J.F. Figueira, S.J. Thomas. Springer Series in Chemical Physics. V. 33. Berlin, Springer - Verlag. 1983

19

радиусом кривизны вершины ~{50-И00) нм, высотой <200 нм., что позволяет создавать упорядоченный растр с плотностью острийных структур (d-^i)'1 2 10s си"2 В разделе 4.3 рассмотрен механизм самосборки микрострукутр в переходном режиме возбуждения ВМ и ППП на частично расплавленной поверхности полупроводника под действием серии импульсов ОСЬ ЛИ. Вначале формируются основные структуры, (интерференция ВМ с ЛИ) с образованием локальных полос расплава (di~X/n). С ростом N формируются ортогональные крупномасштабные квазирешетки, обусловленные взаимной интерференцией ВМ (см. раздел 2.3). Квазирешетки служат начальной структурой для возбуждения ППП, взаимная интерференция которых приводят к появлению и стабилизации резонансных структур ii~V2x\. Формируется двумерный растр ортогональных структур с плотностью ~10' см"2.

В разделе 4.4 проанализированы экспериментальные результаты по формированию ППС на выходных поверхностях диэлектрических пластин с низким показателем преломления под действием серии импульсов линейно поляризованного излучения ТЕЛ СОг лазера. Предложена нелинейная физическая модель, объясняющая наблюдающееся явление, заключающаяся в формировании плазмы НОП металлического характера (для Л.=10.6 мкм) на выходной поверхности пластины, образовании трехслойной системы диэлектрик -плазма - вакуум и возбуждении в ней ППП (при достижении критических условий по концентрации электронов в плазме). Интерференция ЛИ с возбуждаемыми ППП границы диэлектрик-плазма приводит к формированию структур с A~}Jn и ориентацией ¿(¡¿?t. В разделе 4.5 изучено взаимодействия линейно поляризованного излучения TEA СО2 лазера ((т=1мкс, Х= 10,6 мкм) с кварцевым стеклом в условиях возбуждения поверхностных фонон поляритонов (ПФП). При воздействии с q~ (3+5) МВт/см2 наблюдали формирование решеток с d=X/r|, ориентацией ¿||£"t, отвечающей интерференции ЛИ с возбуждаемой нерадйационной волной ТМ типа, что свидетельствует об участии в интерференции ПФП. При околопороговых величинах q, обнаружено образование структур с й=У2х\, обусловленных взаимной интерференцией ПФП с противоположными направлениями распространения, (обратная универсальность Фейгенбаума, см. раздел 5.2). Показано, что «запись» структур осуществлялась путем формирования решеток показателя преломления, а также комплексных решеток (показателя преломления и рельефа), связанных с процессами испарения и изменения плотности стекла. При использовании непрерывного СОг ЛИ обнаружены регулярные решетки с ориентацией дЛЕс. Предполагается, что эти структуры обусловлены интерференцией ЛИ с возбуждаемыми им ВМ ТЕ типа. Предложены модели «записи» структур в виде модуляции показателя преломления и микрорельефа поверхности.

В главе 5 рассмотрены особенности взаимодействия ультракоротких импульсов (УКИ) ЛИ с конденсированными средами. В разделе 5.1 предложена и рассмотрена расширенная универсальная поляритонная модель для объяснения упорядоченного наноструктурирования объема и поверхности конденсированных сред (диэлектриков, полупроводников, металлов) ЛИ. Модель основана на реализации нетермического фазового перехода под действием мощного УКИ ЛИ, приводящего к созданию в зоне проводимости неравновесных носителей с концентрацией, удовлетворяющей неравенству:

«К-Т= = °>*.- 00) Vl + Я2

Здесь со- частота ЛИ, со2 = "*е - плазменная частота неравновесных электронов

'' т

зоны проводимости; п- показатель преломления диэлектрика. Физически смысл неравенства (10) заключается в том, что частота ЛИ со должна быть меньше предельной частоты ППП границы раздела диэлектрик - плазменный слой (ПАС). Графическая реализация этого условия для поверхностно-активной среды демонстрируется на рис. 5. Интерференция возбуждаемых ППП с ЛИ призодит к формированию стоячей картины распределения электронной плотности, с периодом, даваемым поляритонной моделью. При частичном сохранении модуляционного распределения электронной плотности на временах элекгрон-фононного взаимодействия ( ) происходит фиксация остаточных структур преимущественно за счет нарушений фононной подсистемы (изменения кристаллической структуры, плавление, ...). Изучен характер микро- и наноструктур рельефа, образующихся на поверхностях ряда металлов в зависимости от числа импульсов воздействующего излучения, их влияние на изменение поглощательной способности облученной поверхности. Рассмотрено влияние константы электрон-фононного взаимодействия на характер образующихся упорядоченных струкгур. Приведена

Рис.5. Дисперсионная кривая поверхностных плазмон поляритонов плоской границы раздела поверхностно-активная о> среда-полупроводник с учетом затухания; I - дисперсионная кривая; 2 - асимптотически предельное значение

дисперсионной кривой в среде без потерь при к —> <*>; п - д)

р

показатель преломления полупроводника: 3 - частота лазерного излучения; 4 - световая прямая в диэлектрике; к -

а,

волновое число ППП на частоте лазерного излучения. Штриховой линией показано поведение дисперсионной кривой в высокочастотной области в среде (плазме) с потерями.

интерпретация экспериментов в подтверждение поляритонной модели разрушения

конденсированных сред в области их прозрачности. В разделе 5.2 на базе унимодального одномерного логистического отображения построена и проанализирована нелинейная модель фундаментальной универсальности поведения кратных длине волны ЛИ пространственных периодов интерференционных структур, образующихся в диссипативных системах под действием линейно поляризовапного ЛИ с участием ПП. Модель предсказывает кратное двум скачкообразное изменение периодов структур как в сторону их увеличения (прямая последовательность Фейгенбаума), так и уменьшения (обратная последовательность) в зависимости от управляющего параметра. Кратное двум изменение периодов в нелинейных процессах носит название универсальности Фейгенбаума, которая является частным случаем порядка А.Н. Шарковского13. Проведено обобщение полученного результата на порядок Шарковского. Физическая сущность модели включает участие в интерференции ПП и их пространственных гармоник. Отмечено, что величина периода структур в обратной последовательности Фейгенбаума не имеет ограничения иа минимальное значение. Приведены экспериментальные реализации универсальности Фейгенбаума и порядка Шарковского, полученные как автором (см. также разделы 3.6, 3.8 и 4.6), так и

13 А.Н. Шаркоыскнй. Украинский математический журнал. 1964. Т.! б. № 4..

21

заимствованные из14. Особое внимание уделено периоду 3 (см. раздел 3.8), поскольку его появление означает возможность реализации любого периода из порядка Шарковского, то есть возможность перехода к упорядоченному хаосу.

В разделе 5.3 на примерах ряда экспериментальных реализаций проиллюстрирован теоретический вывод о возможности формирования структур с пространственными периодами, величины которых менее значения дифракционного предела (для данной длины волны ЛИ). Структуры с минимальными пространственными периодами, как правило, наблюдались вблизи порога их формирования под действием УКИ линейно поляризованного излучения, на керамике ("ПЫ, СгК)15 с периодами с1=Л/(пкг;) для Л=800 нм, к=2 (с!=260 нм) и к=4 ((3=130 нм), где ^гп]: хорошо ориентированном пиролитическом графите16 с с1=АЛГ| для к=4 и 8 и Х=800 нм: на кристалле ZnO с с1<Х/(п^к) ~200 нм для Я.=2050 нм, к=4 и п=217. Приведенные экспериментальные данные по субволновым периодам пространственных структур подтверждают выводы нелинейной модели. В разделе 5.4 представлен анализ экспериментальных результатов по формированию наноструктур на поверхностях диэлектриков (кварцевое стекло)18 и полупроводников (кремний)'9 под действием ЛИ нетрадиционных поляризаций - радиальной и азимутальной. Показано, что локально решетки наноструктур (нормальное падение) ориентированы вдоль направления Ес ЛИ (см. раздел 2.2) и их периоды удовлетворяют закону сохранения квазиимпульса. Поэтому структуры сформированы в результате интерференции ЛИ с возбуждаемыми в направлениях £,..ППП. Радиально поляризованное излучение формирует азимутальные структуры (концентрические решетки), а азимуталыю поляризованное — радиальные структуры, число лучей которых растет с ростом q [19]. Образование динамических и остаточных резонансных кольцевых структур радиально поляризованным излучением приводит к фокусировке ППП в центр зоны облучения, обеспечивая формирование максимума их интенсивности в центре и увеличивая эффективность воздействия ЛИ. Это объясняет экспериментальные результаты по эффективной резке металлов радиально поляризованным СОг ЛИ (см. Приложение 3). На кварцевом стекле обнаружены кольцевые структуры с кратными 2 периодами (й = ^ а 125 нм, й = ^ и 64нм, X = 775 нм, обратная универсальность

Фейгенбаума). На кремнии обнаружены наноструктуры разрушения с характерным пространственным масштабом с1~ 230 нм, с вектором решетки, направленным вдоль касательной к кольцевым структурам, связанные с интерференцией КППГ1 (см. раздел 5.8). Аналогичные структуры на кварцевом стекле имеют период 40 нм. В разделе 5.5 теоретически рассмотрен экспериментально наблюдаемый аномальный рост периодов микроструктур рельефа с ростом N на поверхностях металлов при воздействии УКИ излучения с я, существенно выше порога абляции2". При околопороговых плотностях мощности рост N ЛИ обычно приводит к уменьшению периода рельефа, за

14 J.S. Preston, Н.М. van Uriel, J.E. Sipe. Phys. Rev. В. 1989. V. 40.

15 N. Yaswnaru, K. Miyazaki, J. Kuichi. Appl. Phys. A. 2005. V. 81. P. 933.

15 M. Huang, F. Zhao, Y. Cheng, N. Xu, Z. Xu. Phys. Rev. B. 2009. V. 79. No 12.

" M. Huang, F. Zhao, Y. Cheng, N. Xu, Z. Xu. Optics Lett. 2010. V. 35. No 8.

" K. Lou, S.-X. Qian, X.-L. Wang, Y. Li, B. Gu, Ch. Tu, X.-T. Wang. Optics Express. 2012. V. 20. No I.

15 C. Hnatovsky, V. Shvedov, W. Krolikovski, A. Rode. Phys. Rev. Lett. 2011. V. 106. No. 13.

20Y. Yang, J. Yang, L..Xue,Y. Appl. Phys. Lett. 2010. V.97. No 14.

счет уменьшения фазовой скорости ППП на формируемой микронеровной границе раздела (см. раздел 2.3). В качестве первого приближения найдено ДС ППП трехслойной системы вакуум — слой эмитированных электронов — металл, и с его помощью получено выражение для периодов формирующихся струкгур (0=0°) <1 в предположении ¡¡=у/й)<1:

1 '

R ег]

1 + -

а{ а)

1--

я

J 1 or + у2 ~2 :

(Ч)

Здесь /2= 0}Р ~ плазменная частота электронов слоя, у - частота столкновений. Как

следует из (11), с увеличением концентрации электронов (п) в плазменном слое и плазменной частоты (с^) за счет роста плотности энергии ЛИ (} растет величина периода структур с! до значения, близкого к А ЛИ, но не равного ей (с!<Х), что соответствует эксперименту [20]. Отметим, что период й линейно зависит от величины а£2~п-1. Экспериментально обнаружено формирование резонансных микроструктур рельефа в рамках поляритонной модели на вольфраме, граница раздела которого с вакуумом (табличные оптические постоянные XV) не поддерживает существование ППП в полосе длин волн, включающей лазерную Я.=800 нм.. Качественное объяснение эффекта заключается в том, что при столь высоких уровнях фотовозбуждения электронная подсистема металла не описывается в рамках стандартной зонной модели, и поведение неравновесных электронов приближается к поведению квазисвободных электронов. В разделе 5.6 на примере взаимодействия импульсов ЛИ с полупроводником 4Н-81С в области прозрачности (Х=800 нм, т=150 фс) проанализирован результат образования микроструктур трех групп периодов: 1) микроструктуры с Л < А, \Е; 2)

А А

наноструктуры с с1 <—, ¿| |£ ; 3) наноструктуры с й <—,

gl£, пространственно

расположенные вдоль направления распространения пучка (. gj \ks). Образование структур первого типа обусловлено нетермическим фазовым переходом и металлизацией поверхностного слоя полупроводника, возбуждением ППП границы раздела возбужденный полупроводник - вакуум и его интерференцией с ЛИ (di) либо взаимной интерференцией ППП противоположных направлений распространения (d2). В21 было экспериментально получено di=X/T|=500 нм, d2=?./2r|=250 нм и реализована прямая последовательность универсальности Фейгенбаума. Получение наноструктур второго типа связано с образованием плазменного слоя внутри полупроводника, и ППП возбуждаются на границе раздела полупроводник - плазменный слой. Их интерференция с ЛИ и взаимная интерференция приводит к образованию решеток с периодами, соответственно:d, = A/Ren = Д/nRe^, d, = A/2Rer] = A/2nRe£=137 нм =150 нм. Здесь Ref <=1,1, д I Щ .Подстановка Л=300 нм и п(А =800 нм) =2,65 для 4H-SiC22 дают для рассматриваемого случая взаимной интерференции </, = А / 2 л Re £ = 8001(2 • 2,65 ■ Re £) = 148 нм. Подтверждением того, что структуры формируются в объеме материала, является

21 M. Yaraaguchi, S. Ueno, R. Kumai, K. Kinoshita, T. Murai, et al. Appl. Phys. A. 2010. V. 99.

33R.C. Weast, M.J. Astle, W.H. Beyer. CRC Handbook of Chemistry and Physics, Boca Raton. FL 1983.

23

экспериментально определенная глубина локализации мелкомасштабных структур, достигающая 0,5 мкм23. При высоких интенсивносгях ЛИ образуется металлизированный канал с высокой концентрацией неравновесных электронов, в котором возможно распространение цилиндрических ППП (ЦППП), при сверхкритических концентрациях электронов. Взаимная интерференция ЦППП с противоположными направлениями распространения при многоимпульсном воздействии приводит к образованию периодических структур третьего типа. Период структур, обусловленных взаимной интерференцией ЦППП с нулевым азимутальным квантовым числом (т=0), есть:а=2гс/2к8<я/коП=А/2п«150 нм.

В разделе 5.7 рассмотрена микроскопическая модель эффекта формирования латерального релятивистского пучка электронов при облучении металлической мишени р-поляризованным ЛИ с q~102" Вт/см2 24. Модель основана на образовании слоя эмитированных электронов вблизи поверхности мишени, возбуждении ППП границы раздела вакуум - слои электронов ЛИ, их интерференции с падающей волной с образованием резонансной решетки модуляции электронной плотностн. ЛИ эффективно преобразуется в волну ППП, распространяющуюся вдоль поверхности и выходящую за геометрические размеры зоны облучения, см. рис.6. Распространяющаяся вдоль границы

Рис.6. Интерференция падающего р-поляризованного излучения с поверхностными плазмой поляритонами системы электронный газ - вакуум, возбуждаемыми на флуктуациях электронной плотности слоя с образованием стоячей резонансной решетки 'электронной плотности и преобразования излучения в ППП. ППП увлекают электроны, которые распространяются за пределы зоны облучения.

раздела вакуум - слой электронов волна ППП увлекает электроны слоя, формируя направленный пучок электронов, распространяющийся с релятивистской скоростью (с фазовой скоростью ППП) (см. также раздел 3.3). В поперечном направлении пучок

Z

решетка

электронной

плотности

х

диаметр пучка

23 т. Toraita, R. Kumai, S. Matsno, S. Hashimoto, M. Yamaguchi. Appl Phys A. 2009. V. 97.

24 T. Nakamura, S. Kato, H. Nagatomo, K. Mima. Pliys. Rev. Lelt. 2004. V. 93. No 26.

удерживается за счет баланса сил электростатического притяжения и пондеромоторной

силы, обусловленной градиентом электрического поля ППП. Согласно

экспериментальным данным25, до трети энергии ЛИ преобразуется в энергию

электронного пучка. Знание причин формирования электронного пучка позволит

устранить потери энергии при проведении экспериментов по управляемому лазерному

термоядерному синтезу, создать эффективные устройства генерации направленных

релятивистских пучков электронов, в том числе в цилиндрической геометрии26.

В разделе 5.8 рассмотрено явление существенно субволнового упорядоченного структурирования поверхностей конденсированных сред под действием УКИ ЛИ. В условиях формирования резонансных микроструктур под действием поляризованного ЛИ фемтосекундной длительности нами было обнаружено существенно субволновое

Рис.7. СЭМ изображения наноструктур рельефа поверхности кремния при облучении в воде линейно поляризованным фемтосекундным ЛИ [28] а)-в); г) столбчатый рельеф на поверхности титана.

упорядоченное структурирование поверхностей металлов (вольфрам, титан). Позднее

■77 28 Г- 29

рельеф был получен на полупроводниках " , бинарных полупроводниках и

25 Y.T. Li, X.H. Yuan et al. Phys. Rev. Lett. 2006. V. 96. No 16

26 S. Tokita, IK. Otari, T. Nashoji, S. Inoue.l M. Hashida, S. Sakabe. Phys. Rev. Lett. 2011. V. 106. No 25.

27 Г.А. Марциновский, Г.Д. Шандыбина и др., Оптика и спектроскопия. 2008. Т. 105. №1

28 М. Shen, J.E. Carey. C.H. Crouch, М. Kandyla, Н.А. Stone, Е. Mazur. Nano Letters. 2008. V.8. No 7.. 2S U. Chanavarty, R.A. Gatieev et al. J. Appl. Phys. 2011.. V/l 09. No 8.

25

диэлектрике30 (см. раздел 5.3). На длинных импульсах ЛИ эффект наблюдался на титане и германии (см. разделы 3.4 и 4.2). Ориентация решеток рельефа была ортогональна ориентации решеток основного резонансного рельефа, а период был существенно меньше периода основного рельефа. Нами предложено качественное физическое объяснение эффекта, основанное на учете участия в интерференционных процессах КППТТ. Эффективное возбуждение КППП осуществляется ЛИ с ориентацией Ес вдоль оси канала (выступа), а решетки, сформированные на соседних выступах, не фазированы (см. вставку на рис. 7а). Для ЛИ с Х=800 им период образующихся структур на кремнии <1=90 нм «< X. С ростом N сформированный нанорельеф являлся затравочным для формирования упорядоченных растров наностолбов (рис. 7в, г) или наноострий Предложенное объяснение раскрывает одну из возможных причин упорядоченного существенно субволнового наноструктурирования поверхностей конденсированных сред УКИ ЛИ. В главе 6 установлена связь волнового числа ПЭВ с оптическими характеристиками металла, изучена температурная зависимость затухания ПЭВ, предложен и реализован метод гетеродинной интерферометрии измерения фазовой скорости ПЭВ (г>рл.) В методе гетеродинной ПЭВ интерферометрии (А/с №1732291) измеряется сигнал биений, полученных в результате интерференции ПЭВ и объемного излучения, прошедшего через модулятор сдвига частоты и направляемого но пути распространения ПЭВ от источника ЛИ. Представлены две схемы интерферометра. В первой использованы решеточные элементы ввода-вывода ПЭВ, во второй - металлический цилиндр вывода. Его использование повышает точность измерений, позволяет одновременно проводить измерения действительных и мнимых частей волнового числа ПЭВ. Экспериментально измеренные величины урк ПЭВ границы раздела золото-воздух и медь-воздух и соответствующие плазменные частоты составили: 1>рЛ=0,999958с и сор — 1,38 1016 с-1дпя золота и ирЛ=0,999963с и а^ = 1,46 1016 с_1для меди (урк в единицах с). Полученные значения елр хорошо согласуются с известными из литературы значениями31. С использованием выражения волнового числа ПЭВ через поверхностный импеданс металла X установлена связь мнимых и действительных частей Ъ с действительной и мнимой частями волнового числа ПЭВ.

С использованием связи между и Z в приближении с2/4/Г«1, выражения для Ъ в виде рядов32, справедливого при Ур/с<<о/а)р«1 (ближняя и средняя ИК область), теоретические оценки дают следующее выражение для коэффициента затухания ПЭВ: а —

( Уе-Шг , / ут . ЗV2 со а> ч

ае_„л + ат = I — —— + —) — +----(1 - р) , где аге_„л- вклад в с^, связанный с

г \Ыр/ с \а>р/ с 16 с а)р с 1

электрон-фононными столкновениями, а, - составляющая, обусловленная диффузным

рассеянием электронов на поверхности и дефектах кристаллической решетки и не

зависящая от температуры, - скорость Ферми электронов в металле. Поскольку при

Т>Т(1 Ге__рН = ХТ, яе-Рь(Т) = (£) хГ+аг = а(Г0)+р(Г - 70), где Т„ - температура Дебая, То- фиксированная температура. Т емпературный коэффициент затухания

30 J. Reif, О. Varlamova, F. Costache. Appl. Phys. А. 2008. V. 92.

31 V. Celli, A. Marvin, F. Toigo. Phys. Rev. В. 1979. V. 11. No 4.

32 А. В. Соколов. Оптические свойства металлов. M.: Физматгиз, 1961.341 с.

26

ОТ ат \а>р) с т то есть се_рЛ = РТ для идеально гладкой поверхности и отсутствия дефектов кристаллической решетки. Экспериментально определены а5(Г) на Х= 10,6 мкм и получены |3=7,6 10"4 см'град"1 для золота и [3=8,1 10 4 см''град"1 для алюминия. Согласно (12), при комнатной температуре им отвечают коэффициенты о,е_рЛ=0,22 см"1 для золота и ае_р/1=0,24 см"1 для алюминия. Их сравнение с расчетными значениями с использованием табличных значений сор = 1,391016с-1,=4,07 1013с"1 для золота и ®р = 2,021016с-1, у Л = 1,25 1014с""1 для алюминия33 ,34 показывают хорошее совпадение эксперимента с расчетом. Таким образом, измерение температурной зависимости коэффициента затухания ПЭВ позволяет выделить вклад в затухание ПЭВ электрон-фононных столкновений.

В приближении а>«\ получена связь между температурной производной поглощательной способности ^/¿-р и ¿у^^/¿т ~

В Приложении 1 методом построения характеристической матрицы многослойной среды изучен резонанс на ППП в геометрии Кречмана для тонкой пленки Рс1 в ближней ИК области спектра. Получено выражение для амплитудного коэффициента отражения р-иоляризованной монохроматической волны трехслойной системы диэлектрический слой (Ех)-металлическая пленка (е2)-диэлектрический слой (¿з). Численные расчеты для случая ¿1 = 3,23, £3 = 1, ¿2 (со) и палладия35 для нескольких толщин пленок показали наличие в видимом и ближнем ИК спектральных диапазонах максимума коэффициента отражения вместо хорошо изученного минимума. Установлено, что максимум коэффициента отражения появляется в резонансе на ППП и объясняется как результат интерференции отраженной от системы волны и объемной волны, возникающей за счет радиационного затухания возбуждаемых ППП (за счет наличия призмы). Минимум обусловлен интерференционным гашением волн. Максимум отражения предложено использовать для повышения чувствительности сенсоров на ППП, что численным моделированием проиллюстрировано на примере сенсора малых концентраций водорода на палладии. В Приложении 2 изучено взаимодействие непрерывного линейно поляризованного ЛИ с границами раздела ПАС в условиях сканирования излучения. Показано, что при сканировании р-поляризованного излучения и в направлении тангенциальной компоненты волнового вектора ЛИ из решеток с двумя возможными периодами реализуется отвечающая направлению распространения ПЭВ, обеспечивающему опережающий прогрев зоны воздействия. Изучены зависимости параметров следа области воздействия ЛИ от угла между направлением сканирования и направлением наиболее эффективного возбуждения ПЭВ. Экспериментально обнаружены, изучены и объяснены пороговые по интенсивности ЛИ пульсации интенсивности свечения поверхности ПАС. Объяснение основано на самосогласованной трансляции рельефа ППС с увеличением его глубины за счет увеличения интенсивности ППП (или ВМ) в процессе сканирования излучения.

" МJ. Sparks, Е. Loh. JOSA. 1979. V. 69. No 6.

34 A.M. Прохоров. В.И. Конов, И. Урсу и др. Взаимодействие лазерного излучения с металлами. М.:НаукаЛ 988.

35 М.А. Ordal, L.L. Long, R.J. Bell, S.E. Bell et al. Appl. Optics. 1983. V. 22. No 7.

В Приложении 3 рассмотрены схемы воздействия ЛИ на материалы и структуры с целыо увеличения суммарной интенсивности воздействия ЛИ основе дополнительного вклада за счег возбуждения ППП и ВМ. Описана предложенная схема двухпучкового облучения, в которой два интерферирующих пучка ЛИ создают решетку д, на которой осуществляется резонансное преобразование излучения одного либо каждого из интерферирующих пучков ЛИ в ППП (А/с № 1181413), что обеспечивает увеличение эффективной ПС поверхности более чем на 50%. Предложен способ лазерной обработки, в котором управляют поляризацией сканируемого излучения синхронно с изменением направления сканирования (А/с №1374613) что позволяет увеличить скорость реза до 1,4 - 1,5 раз, и уменьшить ширину реза (по сравнению с круговой поляризацией). Поставлена и решена задача о переносе мощности ППП, возбуждаемыми радиально поляризованным ЛИ на аксиально симметричной резонансной решетке и ее фокусировке в центр стругауры (см. раздел 5.4).. Наличие фокусировки, наряду с малым дифракционным размером пятна Сфокусированного излучения, качественно объясняет экспериментальный результат об эффективной резке металла излучением непрерывного С02 лазера радиально поляризованным ЛИ (вдвое по сравнению с циркулярно поляризованным). В Приложении 4 приведен список публикаций перечня ВАК автора по теме диссертации.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе даио экспериментальное и теоретическое развитие и обоснование теории взаимодействия силового ЛИ с конденсированными средами с существенно различными физическими свойствами для широкого диапазона параметров ЛИ. Полученные результаты сводятся к следующему.

1. Впервые предложена, теоретически и экспериментально обоснована и развита идея об определяющей роли распространяющихся поверхностных электромагнитных мод в разрушении поверхности и объема конденсированных сред с существенно различными физическими свойствами поляризованным ЛИ в широком диапазоне длительностей излучения, от непрерывного до единиц фемтосекунд, и плотностей мощности до 1014 Вт/см2, сопровождающемся образованием упорядоченных структур и значительным изменением эффективной поглощательной способности (патент РФ

' №2347739, А/с №1043929).

2. Решены задачи о существовании ПП в плоской и цилиндрической геометриях на границе раздела полубесконечных сред вакуум-поверхностно-активная среда с экспоненциально пространственно изменяющейся диэлектрической проницаемостью ив слоистой структуре. Показано наличие дисперсионных кривых с максимумом для малых по модулю отрицательных значений диэлектрической проницаемости мегаллоподобного слоя, так что на одной частоте возможно существование двух волн ПП, причем для ветви с отрицательной дисперсией волновое число ПП можег быть много больше волнового числа световой волны в вакууме.

3. Предложена и обобщена на случай порядка Шарковского нелинейная математическая модель на основе унимодального логистического отображения для объяснения разнообразия кратных длине волны ЛИ упорядоченных микро- и наноструктур, образующихся в конденсированных средах под действием линейно поляризованного ЛИ в условиях возбуждения ПП и волноводных мод. Модель объясняет образование регулярных структур с периодами, много меньшими величины дифракционного

28

оптического предела и допускает обобщение на случай нестандартной поляризации ЛИ.

4. Предложена физическая модель структурирования гребней основного резонансного рельефа, в виде периодических структур с характерными пространственными масштабами ~(10-И00) нм, эволюционирующих в наноконусы или наностолбы, основанная на возбуждении и взаимной интерференции канальных поверхностных плазмон поляритонов. Разрабоганы физические принципы формирования двумерных растров конических острийных структур с радиусом кривизны вершины (1 - 5) нм и

плотностью острий < 10®сд<~2.

5. Экспериментально обнаружена и исследована анизотропия роста зерен и канавок термического травления на поверхности металла, ориентированных поляризацией импульсного ЛИ. Предложена новая физическая модель явления, основанная на возбуждении ППП, увлечении ими электронов скин-слоя и перемещении границ раздела зерен под действием потока направленных электронов.

6. Разработана качественная физическая модель генерации релятивистских латеральных пучков электронов при взаимодействии р—поляризованного ЛИ с плотностью мощности ~ 102" Вт/см2 с металлической мишенью, основанная на возбуждении мощной волны ППП и увлечении ею электронов слоя пространственного заряда.

7. На основе универсальной поляритонной модели разработаны качественные физические модели для частных случаев конденсированных сред и условий облучения для объяснения экспериментов по образованию микроструктур рельефа при возбуждении 1111

: мелкомасштабных структур рельефа на поверхностях металлов, имеющих металлоподобные окислы, под действием С02 линейно поляризованного излучения;

- наноструктур показателя преломления в объеме 4H-SÍC под действием серии импульсов УКИ излучения в области прозрачности как результат взаимной интерференции мод ЦППП цилиндрического металлизированного микроканала;

- микроструктур рельефа под действием поляризованного по кругу пикосекундного излучения, картина дифракции Фраунгофера которых имеет симметрию вращения шестого порядка относительно нормали к поверхности (111) германия;

- УКИ излучением с аксиально-симметричной поляризацией с образованием аксиально симметричных структур рельефа и показана роль кольцевых осесимметричных структур в дополнительной фокусировке радиалыю поляризованного излучения;

- поверхностных фонон поляритонов с образованием решеток показателя преломления стекла, в т.ч. обусловленных взаимной интерференцией ПФП;

- уменьшение динамической отражательной способности и формирование мелкомасштабных структур рельефа металлического зеркала под действием серии наносекундных импульсов излучения СОг лазера;

- структур с d ~ А/п на выходных поверхностях диэлектрических пластин с низким показателем преломления под действием излучения TEA СО-, лазера.

8. Получена аналитическая связь между оптическими характеристиками металла и

компонентами волнового числа ПЭВ для случая слабо аномального скин-эффекта.

Разработан метод гетеродинной ПЭВ интерферометрии для измерений фазовой скорости ПЭВ и плазменной частоты металлов (Л/с 1732291)

9. Установлено, что минимальную величину коэффициента затухания ПЭВ металла, обусловленную электрон-фононными столкновениями, можно определить с использованием экспериментально измеренной величины температурного коэффициента затухания ПЭВ.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. А.М. Бонч-Бруевич, В.Г. Дорофеев, В.А.Карева, М.К. Коченгииа, М.Н. Либенсон, B.C. Макин, С.Д. Пудков. Связь оптических характеристик металла с длиной затухания поверхностной электромагнитной волны. //Известия АН СССР. Сер. Физич. 1981. Т.45.№3. С. 647-650.

2. М.К. Коченгииа, М.Н. Либенсон, B.C. Макин, С.Д. Пудков. Возбуждение поверхностных и волноводных мод интенсивным лазерным излучением и их влияние

. на характер разрушения конденсированных сред. Тезисы докладов У ВОИВ, Ленинград, 1981, с. 311-312.

3. А.М.Боич-Бруевич, М.К. Коченгииа, М.Н. Либенсон, B.C. Макин, С.Д.Пудков, В.В. Трубаев. Возбуждение поверхностных и волноводных мод интенсивным лазерным излучением и их влияние на характер поверхностного разрушения конденсированных сред. //Известия АН СССР. Сер. Физич. 1982. Т.46. № 6. С. 1185-1195.

4. А.Г. Акимов, A.M. Бонч-Бруевич, А.П. Гагарин, П.А. Зимин, И.Н. Иванова, М.Н. Либенсон, B.C. Макин, С.Д. Пудков. Связь толщины и состава окисных пленок на титане с коэффициентом поглощения при лазерном облучении в окислительной атмосфере.//Известия АН СССР. Сер. Физич. 1982. Т.46. №6. С. 1177-1185.

5! А.Г. Акимов, A.M. Бонч-Бруевич, А.П. Гагарин, В.Г. Дорофеев, М.Н. Либенсон, B.C. Макин, С.Д. Пудков. Влияние элементного состава на оптические свойства сплавов при импульсном нагреве излучепием.//Письма вЖТФ. 1980.Т. 6. Вып. 16. С. 1017-1020.

6. В.В.Баженов, А.М.Боич-Бруевич, М.Н.Либенсон, B.C. Макин, С.Д.Пудков, В.В. Трубаев. Периодические структуры на поверхности полупроводников, образующиеся под действием интенсивного излучения //Письма в ЖТФ.1983.Т.9.Вып. 15. С. 932-937.

7. A.M. Бонч-Бруевич, М.К. Коченгииа, М.Н. Либенсон, B.C. Макин, С.Д. Пудков, В.В. Трубаев. Температурная зависимость затухания поверхностных электромагнитных волн! //Письма в ЖТФ. 1984. Т. 10. Вып. 4. С. 193-197.

8. В.В. Баженов, A.M. Бонч-Бруевич, М.Н. Либенсон, B.C. Макин, С.Д. Пудков, В.В. Трубаев. Дисперсия ПЭВ на полупроводниках с периодическим рельефом, образующимся в процессе воздействия интенсивного излучения. Письма в ЖТФ. 1983. Т. 9. Вып. 20. С. 1266-1271.

9. A.M. Бонч-Бруевич, М.Н. Либенсон, B.C. Макин. Динамика роста поверхностных периодических структур при воздействии интенсивного света на конденсированную среду. Письма в ЖТФ. 1984. Т.10. Вып.1. С. 3-8.

10. Баженов В.В., Бонч-Бруевич A.M., Либенсон М.Н., Макин B.C. Интерференция поверхностных электромагнитных волн и периодические структуры, образующиеся

при воздействии интенсивного света на поверхность полупроводника. // Письма в ЖТФ, 1984. Т. 10. Вып.24. С. 1520-1526.

11. В.В. Баженов, B.C. Макин, Г.М. Рубанова, В.В. Трубаев. Формирование периодических структур на окисляющихся металлах под действием когерентного света. // Известия АН СССР. Сер. Физич. 1985. Т.49. № 6. С. 1229-1232.

12. A.M. Бонч-Бруевич, М.Н. Либенсон, B.C. Макин. Роль генерации мощных поверхностных электромагнитных волн в воздействии интенсивного света на конденсированную среду7/ Оптика и спектроскопия. 1985. Т. 59. Вып.б. С. 1350-1354.

13. М.Н. Либенсон, B.C. Макин, P.C. Макин. // Дисперсия поверхностных поляритонов в среде с пространственно неоднородной диэлектрической проницаемостью. Оптика и спектроскопия. 1985. Т. 59. №4. С. 916-919.

14. AM. Бонч-Бруевич, М.Н. Либенсон, B.C. Макин, С.Д.Пудков, В.В. Трубаев. Рассеяние поверхностных электромагнитных волн ИК диапазона на оптически гладких металлических поверхностях. // Письма в ЖТФ. 1985. Т.П. Вып. 17. С. 1039-1043.

15. В.В. Баженов, A.M. Бонч-Бруевич, М.Н. Либенсон, B.C. Макин. Формирование мелкомасштабного периодического рельефа на поверхности металла под действием поляризованного сканируемого излучения.// Письма в ЖТФ. 1986. Т.12. Вып. 18. С. 1104-1110.

16. В.В. Баженов, A.M. Бонч-Бруевич, Р.-М.В. Канапенас, М.Н. Либенсон, B.C. Макин, Р.Й. Петрушкявичюс, Ю.Й. Рекснис. Воздействие сканируемого пучка поляризованного лазерного излучения на металлы. Письма в ЖТФ. 1986. Т.12. Вып. 3. С. 151-156.

17. Баженов В.В., Бонч-Бруевич A.M., Либенсон М.Н., Макин B.C. Возникновение и упорядочивание поверхностного рельефа при нагреве и оплавлении поверхности интенсивным светом. // Письма в ЖТФ. 1987. Т.13. .Вып. 20. С.1235-1239.

18. A.M. Бонч-Бруевич, М.Н. Либенсон, B.C. Макин. Поверхностные поляритоны и силовое действие лазерного излучения. // УФН. 1988. Т. 155. Вып.4. С. 719-721.

19. A.M. Бонч-Бруевич, М.Н. Либенсон, B.C. Макин, А.Г. Румянцев. Поверхностные поляритоны и воздействие лазерного излучения на вещество. // Известия АН СССР. 1989. Сер. физич. Т. 53. №4. С. 769-776.

20. В.В. Баженов, B.C. Макин. Образование динамического волновода и мелкомасштабного рельефа при воздействии лазерного излучения на поверхность полупроводника. // Письма в ЖТФ. 1990. Т. 16. Вып. 8. С.20-26.

21. М.Н. Либенсон, B.C. Макин, В.В. Трубаев. Измерение фазовой скорости ПЭВ методом оптического гетеродииирования.// Известия АН СССР. Сер. физич. 1991. Т.55. № 7. С.1435-1437.

22. О.П. Гашков, М.Н. Либенсон, B.C. Макин, В.В. Трубаев. Особенности лазерно-индуцированного перехода полупроводник-металл и формирование структур на кремнии. // Письма в ЖТФ. 1992. Т. 18. Вып. 10. С. 32-38.

23. A.M. Bonch-Bruevich, M.N. Libenson, V.S. Makin, V.V. Trubaev. Surface electromagnetic waves in optics. // Optical Engineering. 1992. V. 31. No 4. P. 718-730.

24. М.Н. Либенсон, B.C. Макин, В.В. Трубаев. Лазерно-индуцированный рельеф гексагональной симметрии на поверхности <111> германия. // Письма в ЖТФ. 1995. Т.23. Вып. 4. С. 44- 50.

25. М.Н. Либенсон, B.C. Макин, Ю.И. Пестов, В.В. Трубаев. Образование регулярного рельефа на поверхности кремния под действием поляризованного лазерного излучения. // Оптический журнал. 1996. №2. С. 78-84.

26. М.Н. Либенсон, B.C. Макин, М.Дж. Сволоу, В.А.Ширяев. Поверхностные периодические структуры при оптическом пробое прозрачных диэлектриков. // Оптический журнал. 1996. №2. С. 27-30.

27. О.П.Гашков, М.Н. Либенсон, B.C. Макин, В.В. Трубаев. Динамика роста и механизм образования упорядоченного рельефа поверхности кремния под действием поляризованного излучения. //ЖТФ. 1997. Т.67. №4. С. 113-116.

28. М.Н. Либенсон, B.C. Макин, В.В. Трубаев. Гетеродинная ПЭВ-интерферометрия. // Оптический журнал. 1996. №12. С. 20-23.

29. B.C. Макин, Ю.И. Пестов. Образование решеток рельефа и показателя преломления на кварцевом стекле под действием излучения TEA СОг лазера. // Оптический журнал. 2004. Т.71. №8. С. 41-46.

30. B.C. Макин, Ю.И. Пестов. Особенности рельефа, формируемого на поверхности кварцевого стекла под действием движущегося пучка непрерывного СО2 лазера. // Оптический журнал. 2005. Т..72. № 11. С. 78-81.

31. A.Y. Vorobyev, Chunle Guo, V.S. Makin, N.G. Kokody, V.M. Kuzmichev. Effect of nanostructuring on absorptivity of gold following multi-pulsed laser ablation. // Proceedings CAOL. 2005. Yalta, Krimea, Ukraine. Sept. 12-17. P.83-87. 2005.

32. V.S. Makin, Yu.I. Pestov, P. Kohns. Determination of temperature dependence of platinum absorptivity via surface electromagnetic wave attenuation measuring. // Proceedings of International seminar "Days on Diffraction,'2005. June 28- July 1.2005. St Petersburg. P. 172-176.

33. V.S. Makin, Yu.I. Pestov, P. Kohns. Temperature dependence of surface electromagnetic wave attenuation on nickel. // Proceedings of the International conference "Days on Diffiaction'2006". May 30-June2. 2006. P. 167-172. Printed by NIIH SPb, Saint Petersburg.

34. V.S. Makin, E.I. Logacheva, V.V. Trubaev, P. Kohns. Negative dispersion cylindrical surface plasmon polaritons in layered media. // Proceedings of international conference "Days on Diffraction'2006". Saint Petersburg, May 30 - June 2.2006. P.49-53.

35. V.S. Makin, D.S. Smirnov, P. Kohns. Negative dispersion surface plasmon polaritons in spatially inhomogeneous dielectric permittivity media. // Proceedings of International

■ conference "Days on Diffraction'2006", Saint Petersburg, May 30 - June 2.2006. P.73-76.

36. B.C. Макин, Ю.И. Пестов, П. Коне. Изучение температурной зависимости поглощательНой способности платины методом измерения затухания ПЭВ и природы прижатой волны. // Оптический журнал. 2006. Т.73. № 6. С. 56-59.

37. Е.И. Логачева, П. Коне, B.C. Макин, Ю.И. Пестов. Сенсоры и инвертированный резонанс на поверхностных плазмонах в палладии. // Оптический журнал. 2006. Т.73. № 6. С. 51-55.

38. A.Y. Vorobyev, V.S. Makin, Chunlei Guo. Microscale periodic ordering of random surface nanostractures in femtosecond laser ablation of metals. II J. Appl. Phys. 2007. V. 101. № 3. P. 034903-1-4.

39. V.S. Makin, R.S. Makin, A.Y. Vorobyev, C. Guo. Universality of Feigenbaum and dissipative microstructures for highly nonequilibrium nonlinear systems. II Proceedings of international conference "Days on Diffraction" -2007. St. Petersburg. 2007. P. 103-108.

40. B.C. Макин, P.C. Макин, А.Я. Воробьев, Ч. Гуо. Диссипативные наноструктуры и универсальность Фейгенбаума в неравновесной нелинейной системе металл - мощное

поляризованное УКИ излучение.// Письма в ЖТФ. 2008. Т. 34. Вып. 9. С.55-64.

41. B.C. Макин, Ю.И. Пестов, П. Коне. Температурная зависимость затухания поверхностной электромагнитной волны на никеле. Оптический журнал. 2010. Т. 77. № 3. С. 16-20.

42. Логачева Е.И., Макин B.C. Дисперсия цилиндрических поверхностных плазмон-поляритонов в слоистых структурах. // Оптика и спектроскопия. 2011. Т. 110. №2. С.238-242.

43. B.C. Макин. Мелкомасштабные микроструктуры на металлических зеркалах, генерируемые при действии наносекундных импульсов излучения СОг лазера. // Оптический журнал. 2012. Т. 79. № 4. С. 3 -8.

44. V.S. Makin, Yu.I. Pestov, V.E. Privalov. Thermal waveguide and fine-scale periodic relief on the semiconductor's surface induced by TEA CO2 laser radiation. // Optical Memory and Neural Network Modelling. 2012. No 1. P.52 -61.

45. B.C. Макин, Ю.И. Пестов, P.C. Макин, АЛ. Воробьев, Ч. Гуо. Поверхностные плазмон-поляритонные моды и наноструктурирование полупроводников фемтосеундными лазерными импульсами. // Оптический журнал. 2009. Т. 76. № 9. С. 38-Î4.

46. Б.Н. Миронов, С.А. Асеев, B.C. Макин, C.B. Чекалин, B.C. Летохов. Формирование протяженных периодических микроструктур при «точечном» облучении золотой пленки фемтосекундными лазерными импульсами. Письма в ЖЭТФ. 2008. Т. 88. Вып.4. С. 299-302.

47. A.Y. Vorobyev, V.S. Makin, С. Guo. Dramatic increase in emission efficiency of incandescent light sources. Phys. Rev. Lett. 2009. V. 102. P. 234301.

48. B.C. Макин, P.C. Макин, А.Я. Воробьев, Чунле Гуо. Универсальность Фейгенбаума и порядок Шарковского в лазерно-индуцированных периодических структурах на поверхности и в объеме конденсированных сред. // В сборнике «Нелинейность в современном естествознании», М.: изд-во ЛКИ. 2009. С. 303-322.

49. A.Y. Vorobyev, V.S. Makin, С. Guo. Optical properties of femtosecond laser-induced periodic surface structures on metals. // Proceedings of 52nd IEEE International Midwest Symposium on Circuits and Systems, August 2 - 5, 2009. P. 909-912.

50. B.C. Макин, Ю.И. Пестов, P.C. Макин, А.Я. Воробьев. Поверхностные плазмон-поляритонные моды и наноструктурирование полупроводников фемтосекундными лазерными импульсами. // Оптический журнал. 2009. Т. 76. № 9. С. 38-44..

51. V.S. Makin, R.S. Makin, l.A. Silantjeva. Qualitative model for nanostructures formation along femtosecond laser beam direction in semiconductors. // Proceedings of International conference "Days on Diffraction". June 8 - June 10, 2010. P. 123-127.

52. V.S. Makin, R.S. Makin, l.A. Silantjeva. Femtosecond laser-induced self-ordered nanostructures in semiconducting 4H-SiC. // Proceedings of 10-th International Conference "Laser and Fiber-Optic Network Modelling" (LFNM"2010) Sept. 12-14. 2010. Sevastopol. Ukraine. P. 13-15.

53. V.S. Makin, R.S. Makin. Diffraction limit overcoming by laser-matter interaction in optics. // Proceedings of international conference "Days on Diffraction". 2011. P. 128-132.

54. V.S. Makin, R.S. Makin. Nonlinear femtosecond laser radiation interaction with condensed matter and periodic structures formation with spatial scale less than half the wavelength. Proceedings of LFNM 2011 lllh International Conference on Laser & Fiber-Optical Networks Modelling. NLP 2011. 1st International Workshop on Nonlinear-Photonics. 6-8 Sept. Kharkov. Paper NLP-035. (3 pages).

55. V.S. iMakin, R.S. Makin. Lateral relativistic electron beam synergetic creation and transport by petawatt laser radiation. // Proceedings of international conference "Days on DifTraction-2011" St.-Petersburg, 2011. P. 133-136.

56. B.C. Макин, P.C. Макин. Нелинейное взаимодействие линейно поляризованного лазерного излучения с конденсированными средами и преодоление дифракционного предела. Оптика и спектроскопия. 2012. Т.112. № 2. С. 193-198.

57. A.M. Бонч-Бруевич, Я.А. Имас, М.Н. Либенсон, B.C. Макин, С.Д. Пудков, А.А. Чельный. Способ воздействия на материалы излучением импульсного и непрерывного лазера. А/с №788245. Приоритет от 09.10. 1978 г.

58. М.Н. Либенсон, B.C. Макин, С.Д. Пудков. Способ лазерной обработки. А/с №1043929 . Приоритет от 30.03.1982 г.

59. М.Н. Либенсон, B.C. Макин, С.Д. Пудков, В.В. Трубаев. Способ измерения относительной интенсивности поверхностных электромагнитных волн среднего ИК-диапазона. А/с № 1256513. Приоритет от 10.12. 1984.

60. М.Н. Либенсон, B.C. Макин, Я.А. Оксман. Способ возбуждения фотоэмиссии. Патент РФ. Б.И. -1999. -№30.

61. B.C. Макин, В.В. Трубаев. Способ определения фазовой скорости поверхностной электромагнитной волны. // А/с №1732291. Приоритет от 04.04.1990.

62. М.К. Коченгина, М.Н. Либенсон, B.C. Макин, С.Д. Пудков, В.В. Трубаев. Устройство для измерения коэффициента затухания поверхностных электромагнитных волн среднего и дальнего ИК диапазонов. А/с № 1284361. Приоритет от 29.12.1984 г.

63. A.M. Бонч-Бруевич, Р.-М.В. Канапенас, М.Н. Либенсон, Ю.Й. Рекснис, Р.Й. Петрушкявичюс, B.C. Макин, В.В. Баженов. Способ лазерной обработки. А/с № 1374613. Приоритет от 21.05.1986.

64. В.В. Баженов, B.C. Макин, М.Н. Либенсон. Способ лазерной обработки материалов. А/с 1824792. Приоритет от 04.01.1987 г.

65. С .А. Вицинский, B.C. Макин Ю.Н. Петров, В.К. Исаков, В.В. Трубаев. Многолучевой лазер. Патент РФ № 1829826. Б.И. -1996.-№4.

66. B.C. Макин, В.В. Баженов, М.Н Либенсон. Способ формирования периодических поверхностных структур. Патент РФ №1181413. Б.И. -1999.-№30.

67. B.C. Макин, Ю.И. Пестов, Г.Н. Фишова. Способ создания решетки диэлектрической проницаемости. Патент РФ №2278402. БИ. -2006. -№ 17.

68. B.C. Макин, Ю.И. Пестов, Г.Н. Фишова. Способ формирования микроструктур. Патент РФ №2291835. Б.И.- 2007.-№2.

69. B.C. Макин, А.Я. Воробьев, Чунлей Гуо. Способ формирования наноструктур. Патент РФ № 2347739..Б.И. -2009.- №6.

70. B.C. Макин, Ю.И. Пестов. Способ формирования выступа типа острия. Патент РФ № 2139373. БИ,- 1999.-№10.

Список сокращений

АСМ - атомно-силовая микроскопия; ДС - дисперсионное соотношение; ДЭ - дифракционная эффективность;

ВМ - волноводная мода; ИК - инфракрасный;

КППП - канальные поверхностные плазмоп поляригоны;

ЛИ - лазерное излучение;

НОП - низкопороговый оптический пробой;

ПАС - поверхностно-активная среда;

ПП - поверхностный поляритон;

ППП - поверхностный плазмой поляритон;

ППС - поверхностные периодические структуры;

ПС - поглощательная способность;

ПСВ - поверхностная световая волна

ПФП - поверхностный фонон поляритон

ПЭВ - поверхностные электромагнитные волны;

СТМ - сканирующая туннельная микроскопия;

ЦПП - цилиндрический поверхностный поляритон;

ЦППП - цилиндрический поверхностный плазмон поляритон;

УКИ - ультракороткоимпульсный.

Тиражирование и брошюровка выполнены в учреждении «Университетские телекоммуникации» 197101, Санкт-Петербург, Саблинская ул., 14 Тел. (812) 233 46 69. Объем 2,0 у.п.л. Тираж 100 экз.

ОАО «Научно-исследовательский институт оптико-электронного приборостроения»

На правах рукописи

05201350862

Макин Владимир Сергеевич

ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ УПОРЯДОЧЕННЫХ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР В КОНДЕНСИРОВАННЫХ СРЕДАХ ПРИ ЛАЗЕРНОМ ВОЗБУЖДЕНИИ МОД ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОЛЯРИТОНОВ

01.04.05-Оптика

Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

г. Сосновый Бор 2012 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ 7

ПЭВ зондирование 8

Обзор экспериментальных работ по формированию периодических поверхностных структур под действием лазерного излучения 10

Основные результаты и структура диссертации 23

ГЛАВА 1. СУЩЕСТВОВАНИЕ И СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОЛЯРИТОНОВ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА СРЕД. ТЕОРИЯ 40

1.1. Поверхностные поляритоны на границе раздела однородных полубесконечных сред 41

1.2. Поверхностные поляритоны на границе раздела поверхностно-активной среды с пространственно неоднородной диэлектрической проницаемостью 46

1.3. Дисперсия цилиндрических поверхностных плазмон поляритонов в слоистых структурах 53

1.4. Цилиндрические поверхностные плазмон поляритоны в среде с пространственно неоднородной экспоненциально изменяющейся диэлектрической проницаемостью 59

Выводы 64

ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ 66

2.1. Элементы теории образования периодических поверхностных структур 67

2.2. Экспериментальная установка и методы для исследования образования и измерения параметров периодических поверхностных структур 75

2.2.1. Экспериментальная установка 75

2.2.2. Методы экспериментального изучения поверхностного рельефа 78

2.3. Основные решетки, образующиеся при воздействии линейно поляризованного 80

излучения

2.3.1. р- и s-поляризованное излучение 81

2.3.2. Поверхностные периодические структуры при произвольной ориентации линейно поляризованного излучения 88

2.3.3. О проявлении дисперсионных свойств поверхностных плазмон поляритонов 92

2.3.4. Двойные поверхностные периодические структуры 94

2.4. Поверхностные периодические структуры, обусловленные интерференцией полей поверхностных плазмон поляритонов 96

2.4.1. Р-поляризованное излучение 96

2.4.2. s-поляризованное излучение 98

2.4.3. Круговая поляризация 103

2.5. Лазерно-индуцированный рельеф гексагональной симметрии на поверхности (111) германия 103

2.6. Интерференция с участием пространственных гармоник поверхностных плазмон поляритонов и формирование поверхностных периодических структур 108

2.7. Особенности начальных стадий формирования периодического рельефа 112

2.8. Структуры на кремнии с кратными периодами под действием миллисекундного излучения 119

2.8.1. Экспериментальная установка 116

2.8.2. Действие неполяризованного лазерного излучения 117

2.8.3. Приблизительно нормальное падение линейно поляризованного излучения, 118

0" < в < 9"

2.8.4. Поляризованный по кругу свет 119

2.8.5. р— и s - поляризованное излучение, 9" <9 < 30" 120

2.8.6. 30" < в < 70", р~поляризованное излучение 121

2.8.7. Начальные стадии формирования микрорельефа 121

2.8.8. Действие пространственно промодулированного излучения 122

Выводы 123

Глава 3. ОБРАЗОВАНИЕ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТЯХ МЕТАЛЛОВ 126

3.1. Особенности формирования регулярного рельефа на поверхностях окисляющихся металлов 127

3.2. Формирование мелкомасштабных периодических структур на поверхности окисляющихся металлов под действием излучения СО2 лазеров 130

3.2.1. Воздействие импульсов излучения СО2 лазера 130

3.2.2. Мелкомасштабные структуры при воздействии непрерывного сканируемого излучения СОг лазера 131

3.3. Управляемое перемещение границ зерен при рекристаллизации и микрорельеф поверхности титана, индуцированные импульсами лазерного излучения 137

3.4. Формирование структур на поверхности титана 144

3.4.1. Хаотическое наноструктурирование поверхности 145

3.4.2. Формирование резонансных микроструктур на поверхности титана 146

3.4.3. Регулярное наноструктурирование поверхности титана и формирование наноконусов 148

3.5. Мелкомасштабные микроструктуры на металлических зеркалах под действием серии наносекундных импульсов излучения СОг лазера 152

Выводы 158

Глава 4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО С02 ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПРОЗРАЧНЫМИ СРЕДАМИ И ФОРМИРОВАНИЕ УПОРЯДОЧЕННЫХ СТРУКТУР 161

4.1. Образование динамического волновода и мелкомасштабного рельефа при воздействии непрерывного лазерного излучения на поверхности полупроводника 161

4.2. Мелкомасштабный периодический рельеф, формируемый на поверхности полупроводника излучением импульсного СО2 лазера 167

4.2.1. Введение 167

4.2.2. Экспериментальная установка 168

4.2.3. Результаты экспериментов 169

4.2.4. Обсуждение экспериментальных результатов 171

4.3. Формирование ортогональных решеток рельефа 181

4.4. Образование периодических микроструктур на поверхностях прозрачных диэлектриков под действием излучения TEA СО2 лазера 184

4.5. Воздействие поляризованного СО2 лазерного излучения на кварцевое стекло 187

Выводы 198

Глава 5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С КОНДЕНСИРОВАННЫМИ СРЕДАМИ 200

5.1. Универсальная поляритонная модель для нетермических фазовых переходов 200

5.1.1. Расширенная универсальная поляритонная модель для нетермического фазового перехода 200

5.1.2. Вольфрам (молибден) и неравновесные электроны 202

5.1.3.Структуры на металлах 203

Выводы 212

5.2. Фундаментальная универсальность поведения пространственных периодов интерференционных структур, образующихся с участием поверхностных поляритонов 213

5.3. Нелинейное взаимодействие линейно поляризованного лазерного излучения с конденсированными средами и формирование субволновых структур 228

Выводы 242

5.4. Упорядоченное структурирование конденсированных сред фемтосекундным лазерным излучением нетрадиционной поляризации 236

5.5. Дисперсия поверхностных плазмон поляритонов и периоды микроструктур в структуре с пространственно заряженным слоем эмитированных электронов, 243

образующихся под действием излучения фемтосекундной длительности на металл

5.6. Образование упорядоченных наноструктур в цилиндрическом канале 4H-SiC при фемтосекундном облучении 249

5.7. Синергетическое формирование и транспорт релятивистского электронного пучка экзаваттным лазерным излучением 256

5.8. Наноструктуры и канальные поверхностные плазмон поляритоны 262

Выводы 268

Глава 6. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВОЗБУЖДЕНИЕ, РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ПЭВ 270

6.1. Двухпризменная установка для измерения длины затухания ПЭВ 270

6.2. Связь оптических характеристик металла с длиной затухания ПЭВ 274

6.3. Температурная зависимость затухания ПЭВ среднего ИК диапазона 279

6./3.1. Оценка температурной зависимости затухания ПЭВ 280

6.3.2. Эксперимент 283

6.4. Гетеродинный метод измерения фазовой скорости ПЭВ 284

Выводы 291

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Инвертированный резонанс на поверхностных плазмонах в палладии 292

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Влияние поверхностных световых волн на взаимодействие непрерывного поляризованного лазерного излучения с конденсированной средой 300

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Оптические схемы увеличения эффективности воздействия лазерного излучения на конденсированные среды с использованием поверхностных поляритонов 310

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Список публикаций автора из Перечня ВАК 318

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 326

ЛИТЕРАТУРА 330

ВВЕДЕНИЕ

В последние два десятилетия ведутся обширные исследования в области физики поверхностных явлений, поскольку с продвижением к нанометровым пространственным масштабам размеров изучаемых объектов поверхность все в большей мере определяет их свойства. Исследование свойств поверхности конденсированной среды является актуальным научным направлением. Для анализа протекающих процессов широко привлекаются представления о поверхностных возбуждениях, характерных для границ раздела сред.

Поверхностными поляритонами принято называть электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль поверхностей и границ раздела сред. Напряженность электрического поля в такой волне экспоненциально убывает при удалении от плоскости раздела обеих сред, однако вдоль границы раздела поля изменяются обычным волнообразным образом [1]. Как известно, обычные электромагнитные волны в физике конденсированного состояния называют поляритонами, поскольку вблизи линий поглощения электромагнитную волну можно описывать как смешанную моду, обусловленную взаимодействием электромагнитного поля с элементарным возбуждением среды. Сказанное поясняет то, почему в литературе по физике конденсированных сред фигурирует название поверхностные поляритоны (ПП). В последнее время поверхностными электромагнитными волнами (ПЭВ) называют поверхностные поляритоны, существующие вдали от резонансных частот, энергия которых локализована в среде без потерь и потому распространяющихся на большие расстояния. Линейные поверхностные поляритоны являются нерадиационными волнами, то есть их невозможно возбудить светом на идеально гладкой границе раздела. Поверхностные поляритоны принято разделять, в зависимости от соотношения действительной (£■,) и мнимой (е 2) частей диэлектрической проницаемости среды, на моды Фано (f, » s2) и моды Ценнека-Зоммерфельда (si « s2) [1]. Важный вклад в разработку теории ПП был сделан A.A. Марадудиным [2], В.М. Аграновичем [1, 3], Д.Л. Миллсом [4].

В последнее время наблюдается повышенный интерес исследователей к более пространственно локализованным поверхностным электромагнитным возбуждениям: экспериментально обнаружены цилиндрические поверхностные плазмон поляритоны (ППП), предложены и разрабатываются новые типы ППП, такие как канальные (channel) [5], щелевые (gap) и другие. Развитие этого направления продиктовано существенно субволновой пространственной локализацией этих возбуждений, возможностью

получения субволновой концентрации энергии электромагнитного излучения, малыми длинами распространения волн и возможностью миниатюризации создаваемых на их базе устройств и приборов. Теоретически и экспериментально показана возможность фокусировки (локализации энергии) ППП по заужающимся волноведущим структурам (например, цилиндр с коническим острием) в существенно субволновые размеры [6]. Область физики, занимающаяся исследованиями поверхностных поляритонов, получила название наноплазмоники [7].

За последние годы возникло направление работ, направленное на миниатюризацию устройств обработки оптических сигналов, с использованием поверхностных плазмон поляритонов. Это обусловлено малыми длинами распространения канальных поверхностных плазмон поляритонов в видимой области спектра на границах раздела поверхностно-активных сред (порядка десятков микрон), а также высокой степенью их пространственной локализации.

Проблема пространственной субволновой локализации излучения существенна и для ряда практических приложений, к числу которых можно отнести ЗЭ оптическую память с высокой плотностью записи информации в единице объема. Устройства ближнепольной оптики позволяют преодолеть дифракционный предел и сформировать поверхностные структуры с характерным размером много меньше длины волны используемого излучения, однако производительность такого метода ограничена сложностью поддержания малого расстояния зонд - поверхность.

В настоящее время остро встала проблема связи электронных чипов с оптическими каналами связи [8]. Имея ввиду цилиндрические (канальные) ППП, а также эффекты увлечения, можно ожидать реализацию такой связи путем оптического возбуждения ППП, в которых перенос возбуждения осуществляется электронной подсистемой.

ПЭВ зондирование

Метод спектроскопии поверхностных поляритонов (ПП) является наиболее чувствительным в оптике и используется для изучения спектров поглощения тонких слоев, определения оптических постоянных металлов в основном видимой области спектра, где возбуждение ПП осуществляется преимущественно методом нарушенного полного внутреннего отражения, для изучения нелинейных оптических процессов, таких как генерация второй гармоники, бистабильность. Важный вклад в развитие метода был сделан Г.Н. Жижиным с коллегами [1, 9]. Развитие технологии получения металлических зеркал высокого качества для средней ИК области спектра повлекло за собой разработку сравнительно простых методов измерения малых величин поглощательной способности

(ПС) поверхности металла (А) («(0.3-1.0)%), чувствительных и к микронеровностям

поверхности при ее характерных размерах <1004, и оперативного контроля. Для выявления потенциальных возможностей поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) актуальным стал вопрос о связи оптических постоянных металла с характеристиками ПЭВ, распространяющейся вдоль границы раздела металл - воздух. Было выполнено большое количество работ по определению длины распространения ПЭВ на различных металлах и полупроводниках в средней ИК области спектра (см., например, [1, 9]). Измеряемые значения длин распространения были меньше теоретических значений, а появившаяся разница связывалась с наличием дефектов поверхности (например, возникающих при деформации поверхностного слоя металла при его механической полировке), наличием шероховатости поверхности и рассеянием ПЭВ. Поэтому представляет интерес определение температурной зависимости длины распространения ПЭВ, которая связана только с изменением фононной концентрации. Дополнительно, зная температурную зависимость длины затухания ПЭВ, можно расчетным образом определить температурную зависимость ПС - величину, экспериментально трудно поддающуюся измерению другими методами. Ее знание необходимо для прогнозирования функционирования металлооптики мощных лазерных комплексов среднего ИК диапазона, характера взаимодействия лазерного излучения с металлами.

Распространение ПЭВ вдоль гладкой границы раздела характеризуется комплексным волновым вектором, его действительной и мнимой частями, связанными, соответственно, с фазовой скоростью и длиной распространения ПЭВ. Известные методы определения фазовой скорости ПЭВ сложны из-за малого отличия фазовой скорости света и ПЭВ в среднем ИК диапазоне. Нами предложена гетеродинная методика определения фазовой скорости, в которой объемное излучение направляется по пути распространения ПЭВ, и эти волны интерферируют.

Хорошо известно, что при возбуждении ПЭВ лазерным излучением (решетка, геометрия Кречмана) коэффициент отражения излучения уменьшается. Менее известно о существовании слоистых пленочных систем (например, пар металлов), в которых реализуется минимум отражения. С целью увеличения чувствительности сенсоров на ПЭВ, представляет интерес поиск реального металла, для которого в геометрии Кречмана в некотором спектральном диапазоне реализуется максимум отражения.

Реальные среды, в отличие от модельных, часто обладают зависящим от расстояния от границы свойствами, в частности, поверхностно-активные среды. Представляет интерес рассмотрение границ раздела двух полубесконечных сред, когда ПАС имеет

пространственно зависящую диэлектрическую проницаемость экспоненциального вида. Аналогичная ситуация интересна и для случая ПП в цилиндрической геометрии.

Особый интерес представляет недавно обнаруженный эффект флуктуации локальной плотности состояний на поверхности неупорядоченной металлической пленки [10], приводящий к локализации света (оптический аналог Андерсоновской локализации).

Области современных исследований, где существенная роль принадлежит электромагнитным поверхностным возбуждениям, относится к физике конденсированного состояния, взаимодействию лазерного излучения с конденсированными средами, нанооптике. Исследования взаимодействия лазерного излучения (ЛИ) с материалами теплового и нетеплового характера остаются актуальными более 30 лет. Это обусловлено возрастающими потребностями и совершенствованием промышленных лазерных технологий нового поколения, потребностями создания материалов с новыми функциональными свойствами и возможностями реализации лазерно-управляемого формирования структур за счет процессов самоорганизации (самосборки). Современное развитие направления связано с появлением инструментария нового поколения -фемтосекундных и аттосекундных лазерных излучателей, современных зондовых микроскопов.

В следующем разделе приведен краткий анализ опубликованных в этой области экспериментальных работ, охватывающий результаты по длинным импульсам излучения (температура электронной подсистемы не отрывается от температуры фононной). Более подробные обзоры опубликованы в [11-13].

Обзор экспериментальных работ по формированию периодических поверхностных структур под действием лазерного излучения

Первое сообщение о наблюдении упорядоченного разрушения поверхностей полупроводниковых крис�