Національна Академія Наук України

Інститут фізики

Бащенко Сергій Миколайович

На правах рукопису

УДК 533.9; 535.2; 535.37; 538.95; 621.37;

Дослідження взаємодії потужного УФ випромінювання

створеного ексимерного лазерного комплексу з сапфіром та пористим кремнієм

Спеціальність 01.04.05 - оптика, лазерна фізика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Київ - 2001

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Інституті фізики НАН України

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук,

професор

член-кореспондент НАН України,

Блонський Іван Васильович

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук,

провідний науковий співробітник

Інституту фізики НАН України

Щедрін Анатолій Іванович

кандидат фізико-математичних наук

старший науковий співробітник

Інституту фізики напівпровідників НАН України

Ізмайлов Ігор Олександрович

Провідна установа: Київський національний університет

імені Тараса Шевченко

кафедра оптики

Захист дисертації відбудеться 21 червня 2001 р. о 14.30

на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.159.01 при Інституті фізики НАН України (03650, МСП, Київ-39, пр-т Науки 46).

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту фізики НАН України.

Автореферат розісланий "18 " травня 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

кандидат фіз.-мат.наук ІЩУК В.А.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Дисертаційна робота присвячена створенню ексимерного лазерного комплексу з надвисокою спектральною яскравістю випромінювання (до 1012 Вт/см2·стерадіан·нанометр), з широким дискретним діапазоном можливих ліній генерації, з вузькою лінією генерації та з можливістю її тонкої перебудови в межах частини полоси люмінесценції відповідної ексимерної молекули; дослідженню впливу власного фотонного поля в резонаторі ексимерного XeCl* лазера на енергетичні та просторові характеристики його випромінювання; дослідженню взаємодії потужного лазерного УФ та ВУФ випромінювання з сапфіром та пористим кремнієм.

Актуальність теми. Специфічними областями використання ексимерних лазерів є: створення на їх основі комплексів для дослідження взаємодії випромінювання з речовиною при надвисоких густинах потужності; прецизійна обробка надтвердих прозорих і тугоплавких матеріалів; високороздільна фотолітографія; створення на їх основі сучасних лідарних систем для високочутливого оперативного моніторингу атмосфери; офтальмологія та інші. Що стосується другого пункту з приведеного далеко не повного переліку областей використання ексимерних лазерів, то пріоритети нинішнього часу тісно пов’язані з такими актуальними напрямками як мікромеханіка, мікро- та нанотехнології, тощо. Переваги при просуванні в УФ та ВУФ діапазони спектру (з використанням ексимерних лазерів, як найпотужніших джерел такого випромінювання) грунтуються на двох принципових моментах: по-перше, значення константи взаємодії випромінювання з речовиною пропорційне 1/?4, а по-друге, густини потужності, які можуть бути досягнуті при інших рівних умовах, зворотньо пропорційні розміру фокальної плями, яка у свою чергу обмежується знизу також довжиною хвилі ?.

Порогові густини потужності випромінювання, які необхідні для мікрообробки таких актуальних матеріалів електронної техніки і оптоелектроніки як кремній, сапфір, кварц, становлять величини порядку 1010-12 Вт/см2. Для їх досягнення спектральна яскравість випромінювання має бути порядку 1011-13 Вт/см2·нанометр·стерадіан. Лазери, а точніше комплекси з випромінюванням такої якості на світовому ринку малорозповсюджені, а їх вартість складає кілька сотень тисяч доларів. У зв’язку з цим створення ексимерного лазерного комплексу по схемі “генератор-підсилювач”, доповненого ефективним ВКР-перетворювачем, який був би унікальним для України і забезпечував необхідні параметри випромінювання для досягнення надвисоких густин потужності (понад 1010-12 Вт/см2) як для фундаментальних досліджень взаємодії випромінювання з речовиною при надвисоких густинах потужності, так і для прикладних задач прецизійної мікрообробки надміцних матеріалів є однією з актуальних задач лазерного приладобудування.

Окрім проблем порогових значень густин потужності випро-мінювання для лазерної обробки матеріалів, надзвичайно важливим є і досягнення високої якості поверхні в зоні обробки. Остання критично залежить від реалізації того чи іншого механізму взаємодії лазерного випромінювання з цим матеріалом. Відомо, що найвищої якості поверхні в зоні обробки досягають при реалізації фотоабляційного (“холодного”) режиму взаємодії. Області його прояву залежать як від умов опромінення, так і від властивостей речовини. В дисертаційній роботі досліджуються умови прояву абляційного механізму взаємодії ВУФ випромінювання з сапфіром. Такий вибір модельного об’єкту викликаний двома обставинами. У першу чергу сапфір є прозорим тугоплавким високоміцним матеріалом, який завдяки своїм характеристикам знаходить надзвичайно широке використання в електроніці, сенсориці, медицині та інших областях. Саме завдяки таким характеристикам сапфіру дуже часто виникають задачі його надтонкої, прецизійної обробки (мікроотвори, загострення жал сапфірових скальпелів, нанесення складних мікропрофілів на сапфірових пластинах для біосенсорів, тощо). По-друге, характеристики сапфіру якнайкраще дозволяють провести апробацію якості створеного ексимерного лазерного комплексу.

Перспективним виглядає і використання лазерного випромінювання для безконтактної очистки поверхні об’єктів зі складною морфологією. Типовим прикладом таких об’єктів є пористий кремній, який має губчасту структуру. Дуже часто в порах таких структур знаходяться залишкові продукти травлення, які негативно або некеровано впливають на люмінесцентні властивості пористого кремнію. З урахуванням цього, дослідження можливості лазерної очистки шарів пористого кремнію від залишкових продуктів травлення та інших сторонніх компонент, а також виявлення впливу міри такої очистки на основні люмінесцентні характеристики цього об’єкту представляють також актуальну задачу.

Завдяки зростаючому використанню у фундаментальних дослідженнях та прикладним використанням, які також постійно розширюються, ексимерні лазери самі по собі були і залишаються об’єктом інтенсивного вивчення. Тому будь-які дослідження, спрямовані на підвищення вихідної енергії та вдосконалення характеристик їх випромінювання є безумовно актуальними. До останніх слід віднести дослідження впливу власного фотонного поля в резонаторах ексимерних лазерів на енергетичні та просторові характеристики їх випромінювання та пошук нових або модифікація існуючих резонаторів з поліпшеними характеристиками випромінювання.

Зв’язок роботи з науковими темами. Робота виконана в рамках бюджетних тем "Теоретичні та експериментальні дослідження нових активних середовищ для генерації в УФ діапазоні спектра" (№1.4.1 В/74), "Дослідження процесів формування генераційних характеристик вимушеного випромінювання у лазерах з керованими параметрами для їх застосування при розв’язанні науково-технічних та прикладних задач" (№0198U001632), "Динаміка когерентного лазерного збудження атомів і молекул та фізика високостабільних лазерів" (№ 0198U002137), виконання яких покладено на Інститут фізики НАН України, а також конкурсних тем "Розробка макету технологічного пристрою одержання квантово-розмірних структур із використанням методу фотостимуляції на основі нових ексимерних лазерів з керованими просторово-кутовими характеристиками впливаючого пучка" (№07.01.00/032-94 шифр "Промінь", замовник - Міннауки України), "Розробка мобільного багатоцільового лідарного комплексу спеціального призначення" (№ 0198U003215, замовник - МНС України).

Значна частина досліджень проведена і в ініціативному порядку.

Мета і задачі дослідження. Метою дослідження було створення потужного ексимерного лазерного комплекса широкого функціонального призначення здатного дискретно генерувати у спектральному діапазоні від ВУФ до УФ високоякісне випромінювання з надвисокою спектральною яскравістю, з вузькою лінією, з можливістю її тонкої перебудови та проведення досліджень взаємодії такого випромінювання з сапфіром та пористим кремнієм.

Для досягнення цієї мети розв’язувались наступні задачі:

1.

2.

3.

4.

5.

Об’єктом досліджень був процес взаємодії потужного ВУФ та УФ лазерного випромінювання з речовиною.

Предметом досліджень було вивчення дії на сапфір та пористий кремній потужного ВУФ та УФ лазерного випромінювання та вивчення впливу власного фотонного поля в резонаторі XeCl* лазера на енергетичні та просторові характеристики його випромінювання.

Методи досліджень. Для дослідження дії на сапфір та пористий кремній потужного ВУФ та УФ випромінювання використовувалися фотоакустичний, часово-прольотний, люмінесцентний методи, метод лазерно-індукованої флюоресценції, їх комбінації та інші методи.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше:

1.

2.

3.

4.

Практичне значення одержаних результатів.

1.

2.

3.

4.

5.

Особистий внесок здобувача. Особистий внесок здобувача у виконану роботу полягає у вирішальній ролі при розробці та створенні експериментальної техніки, проведенні досліджень, безпосередній участі у написанні статей, які лягли в основу дисертаційної роботи.

Дослідження впливу власного фотонного поля у найпоширеніших типах резонаторів ексимерних лазерів на енергетичні та просторові характеристики їх випромінювання, розробку модифікованих резонаторів та поєднання ексимерного лазерного комплекса з ВКР-перетворювачем здобувач запропонував і виконав одноосібно.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися на International Conference on "Optical Diagnostic of Material and Devices for Opto-, Micro-, and Quantum Electronics (OPTDIM'97), 13-15 May 1997, Kiyv, Ukraine; Partner Conference to SPIE's 13th Annual International Symposium on Aerospase / Defense Sensing, Simulation and Controls (АeroSense) September 1999, Kiev; 20th European Association of Remote Sensing Laboratories Symposium, June 14-16, 2000, Drezden, Germany; XIV Int. School-Seminar "Spectroscopy of Molecules and Crystals", June 7-12, 1999, Odessa, Ukraina; профільних семінарах Інституту фізики НАНУ.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані у 5-ти статтях, з яких 2 одноособові, у 1-му препринті та у 4-х матеріалах та тезах конференцій.

Структура дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, додатку та списку цитованої літератури. Загальний обсяг дисертаційної роботи становить 100 сторінок машинописного тексту, який проілюстровано 49-ма рисунками та 2-ма таблицями. В роботі є посилання на 137 літературних джерела.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі до дисертації обгрунтовано актуальність вибраного напрямку досліджень, сформульовані мета та задачі, наукова новизна роботи, основні положення які виносяться на захист, наукова та практична цінність одержаних результатів.

Перший розділ присвячено опису фізичних принципів функціонування ексимерних лазерів, прикладів їх практичного використання та опису першого створеного на Україні широкодіапазонного ВУФ-УФ ексимерного лазерного комплексу з надвисокою спектральною яскравістю випромінювання, значення якої сягає 1012-13 Вт/см2стерадіаннанометр, і з тонкою перебудовою довжини його хвилі. Такі характеристики суттєво відрізняють комплекс від просто ексимерного лазера. Комплекс побудовано по схемі "генератор-підсилювач". Електричні схеми обох лазерів однакові. Спільний блок керування забезпечує їх регульовану синхронізацію, в межах і з точністю достатніми для досягнення високої ефективності підсилення. Для ефективного об’єднання оптичних схем "генератора" та "підсилювача" лазерні блоки зкомпоновані вертикально, що забезпечує можливість їх розташування на спільній оптичній плиті шириною всього 600 мм. Це сприяє високій стабільності параметрів випромінювання. Завдяки високій енергії (до 30-50 міліДж), вузькій лінії (до 0,2 см-1), можливості її тонкої підстройки (в межах 0,5-4,0 нм) та малій розбіжності (менше 10-4 рад) випромінювання комплекс придатний для проведення широкого кола як фундаментальних наукових, так і прикладних та технологічних досліджень в УФ та ВУФ спектральному діапазоні в широкому інтервалі густин потужності - до 1011-12 Вт/см2.

Для розширення методичних можливостей та практичного використання ексимерний лазерний комплекс доповнено ВКР-перетворювачем, який використовує явище вимушеного комбінаційного розсіяння у стиснутих газах. Це не тільки значно розширює робочий діапазон довжин хвиль (від 187 нм до 855 нм), а й робить можливою одночасну (!) генерацію кількох довжин хвиль з їх тонкою (спільною) перебудовою в невеликих межах. В табл.1 приведено довжини хвиль та діапазони їх тонкої перебудови при функціонуванні комплексу на найпоширеніших ексимерних сумішах при ВКР-перетворенні у стиснутому водні.

Серед прикладних задач, окрім задач тонкої обробки конструкційних матеріалів, особливу увагу приділено освітленню питання використання потужного багатохвильового ("кольорового") випромінювача на базі ексимерного XeCl* лазера, доповненого ВКР-перетворювачем, для зондування атмосфери. Проілюстровано, як за допомогою такого багатохвильового випромінювача стає можливим ОДНОЧАСНЕ зондування багатьох атмосферних складових та/чи забруднювачів, аерозолю та озону. Саме одночасність вимірювань дозволятиме вести пошук кореляцій у концентраціях атмосферних складових та критичних забруднювачів і таким чином встановлювати канали їх формування, транспортування та руйнування. У другому розділі описані дослідження впливу розміру та положення додаткового власного фотонного поля в резонаторі ексимерного XeCl* лазера на його вихідну енергію та просторові характеристики випромінювання. Дослідження виконані у двох найуживаніших в ексимерних лазерах плоско-паралельному та конфокальному нестійкому телескопічному резонаторах (ППР та НТР).

У ході цих досліджень експериментально виявлено вплив зони з максимально можливою концентрацією власних фотонів ("фотонного котла"), її розміру та положення в резонаторі на вихідну енергію лазера та просторові характеристики його випромінювання. У плоско-паралельному резонаторі "фотонний котел" створюється введенням зі сторони вихідного вікна додаткового дзеркала паралельного основному (Рис.1). Очевидно, що це одночасно зменшує розмір поперечного перетину лазерного променя. Створення "фотонного котла" у прикатодній області у випадку ППР веде до суттєвого збільшення вихідної енергії. Зміщення вже існуючого, у випадку НТР, "фотонного котла" з "осьового" положення до катоду (Рис.2) збільшує вихідну енергію менше, проте виводить за межі променя затінену пляму від вихідного дзеркала НТР.

Рис. 1 Схема утворення "фотонного котла" у плоско-паралельному резонаторі. 1 - лазерна камера, 2 - дзеркало резонатора, 3 - вихідне вікно резонатора, 4 - допоміжне дзеркало резонансне основному, А - анод, К - катод.

ис. 2 Схема зміщення існуючого у нестійкому телескопічному резонаторі "фотонного котла" до катоду. 1 - лазерна камера, 2 - сферичне дзеркало резонатора, 3 - вихідний меніск резонатора, А - анод, К - катод, О-О - оптична вісь резонатора.

Експериментально встановлену залежність вихідної енергії ексимерного XeCl* лазера від розміру та положення “фотонного котла” відносно катоду лазера для плоско-паралельного резонатора (крива 1) та положення "фотонного котла" і геометричного збільшення М нестійкого телескопічного резонатора (криві 2 та 3) наведено на Рис.3.

Запропоновано пояснення цього ефекту, у відповідності з яким підвищення концентрації фотонів (енергія 4,02 eV) через ефективну іонізацію від’ємних іонів хлору (енергія спорідненості атома хлору до електрону 3,62 eV) веде до підвищення концентрації електронів.

В свою чергу, підвищення концентрації електронів у прикатодній області, в якій мало місце значне "прикатодне" падіння напруги внаслідок “прилипання” електронів до атомів хлору, зменшує це падіння, вирівнюючи тим самим розподіл напруженості вздовж розрядного проміжку (Рис.4). Вирівнювання розподілу напруженості вздовж розрядного проміжку веде до вирівнювання і підвищення енерговкладу в більшій частині розрядного проміжку і, як наслідок, до збільшення енергії випромінювання.

Оскільки при створенні "фотонного котла" зменшується розмір поперечного перетину променя, а енергія випромінювання збільшується, то в комплексі це приводить і до різкого збільшення густини потужності випромінювання, підвищення симетрії та зменшення розбіжності променя.

На основі описаних результатів вперше запропоновано прості та ефективні модифікації найуживаніших в ексимерних лазерах плоско-паралельного та конфокального нестійкого телескопічного резонаторів, які при використанні у XeCl* лазері збільшують вихідну енергію (до 20%), густину потужності (до 40%), підвищують симетрію та зменшують розбіжність променя. Такі резонатори перспективні для використання і в інших ексимерних лазерах, зокрема з фторними сумішами - ArF*, KrF*, оскільки кванти їх випромінювання мають енергію 6,4 та 4,99 еВ, яка значно більша за енергію спорідненості атома фтору до електрону - 3,4 еВ.

Третій розділ присвячено дослідженню взаємодії УФ та ВУФ випромінювання ексимерних лазерів з актуальним і розповсюдженим оптичним конструкційним матеріалом – сапфіром, обробка якого (особливо прецизійна) є складною і багатогранною проблемою як у фундаментальному, так і в прикладному аспекті.

У першому циклі досліджень методом фотоакустичного відгуку досліджувалися процеси, які відбуваються у самому сапфіровому зразку-мішені під впливом УФ опромінення випромінюванням XeCl* ексимерного лазерного комплексу у широкому діапазоні густин потужності - до 6х109 Вт/см2. Встановлено існування у цьому діапазоні як мінімум трьох ділянок залежності амплітуди імпульсу фотоакустичного відгуку від густини потужності випромінювання (Рис.5), які відповідають різним механізмам та умовам фотогенерації звуку в таких мішенях: І - стрикційному, ІІ - оптичного руйнування, ІІІ - впливу поглинання лазерного випромінювання плазмовою хмаринкою.

Той факт, що візуальні сліди пошкодження сапфіру (показано стрілкою) спостерігалися пізніше першої зміни нахилу залежності Uф-а(Р), пов’язаної з початком прояву механізму фотогенерації звуку, зумовленого руйнуванням сапфіру (область ІІ) свідчить про високу чутливість фотоакустичного методу контролю для визначення порогу оптичного руйнування мішені.

Для детальніших досліджень механізмів взаємодії лазерного випромінювання з сапфіровими мішенями була реалізована спроба вивчення зарядового стану матеріалів, які видаляються з поверхні сапфірового зразка-мішені під дією лазерного випромінювання. Для цього методом лазерно-індукованої флуоресценції (ЛІФ), доповненого часово-прольотним методом визначалися алюмінієві атомна та іонна складові потоку матеріалу з поверхні зразка-мішені. Для оптичного пробою сапфіру використовувалося випромінювання ArF* ексимерного лазера з довжиною хвилі 193 нм; для зондування продуктів, які вилітають з поверхні зразка-мішені - створений ексимерний лазерний комплекс (Рис.6).

Розроблена методика дозволяла:

1)

2)

3)

В ході досліджень цього циклу були визначені залежності характеристик атомної (абляційної) та іонної (плазмової) складових потоку від кількості імпульсів випромінювання, від щільності енергії випромінювання в діапазоні від 0 до 1 Дж/см2; визначені середні швидкості атомів та іонів алюмінію (7 та 17 км/сек відповідно) та розподіл по швидкостям атомів та іонів алюмінію у обох режимах. Експериментально виявлено початкове існування на поверхні вихідного оптично полірованого зразка сапфіру поверхневого шару з відмінними від основного матеріала властивостями. Оцінено його товщину - порядку кількох десятків нм. Висловлено припущення про його технологічне походження (так звані "тріщини Гріффіта").

Рис.6. Схема експериментальної установки: 1 - камера, 2 - сапфіровий зразок, 3 - хмаринка матеріалу, 4 - випаровучий ArF* лазер, 5 - зондуючий XeCl* лазерний комплекс, 6 - блок синхронізації лазерів, 7 - монохроматор, 8 - ФЕУ, 9 - імпульсний підсилювач, 10 - сигнал лазерно-індукованої флуоресценції від абляційної та плазмової складових потоку, 11 - відкачка.

Рис. 7. Типові ЛІФ сигнали від: 1 - плазмової (іонної) та 2 - абляційної (атомної) складових потоку алюмінію з поверхні сапфіру осовно плазмового режиму взаємодії встановлено, що він може виникати при потоці більше 0,8 Дж/см2, або абляційний режим переходить в нього при перевищенні потоку понад 0,7 Дж/см2. Плазмовий режим може підтримуватись при зменшенні потоків густин енергії до 0,45 Дж/см2. В цьому режимі швидкість, з якою іони алюмінію вилітають з поверхні зразка, залежить від густини падаючої енергії (ймовірно за рахунок електростатичного прискорення) і практично лінійно зростає з її збільшенням. Збільшується також і кількість матеріалу який виноситься за один імпульс. Слід відзначити, що хоча у плазмовому режимі взаємодії швидкість обробки різко зростає, проте якість поверхні погіршується.

Отримані експериментальні результати також свідчать про утворення при плазмовому режимі взаємодії специфічного приповерхневого шару з відмінними від основного матеріалу властивостями. Утворення такого специфічного шару різко змінює характер взаємодії ВУФ випромінювання з матеріалом. Це проявляється у різкому підвищенні кількості та швидкості вильоту матеріалу, який виноситься за один імпульс. При зменшенні потоку випромінювання нижче порогового цей шар виснажується і зникає за певну кількість імпульсів, яка й дозволила оцінити товщину шару - порядку 20 нм.

Показано, що абляційний режим взаємодії реалізується у вужчому діапазоні густин енергії (0,5 - 0,7 Дж/см2) та за обов’язкової умови попередньої обробки поверхні зразка у плазмовому режимі. При цьому швидкість, з якою атоми алюмінію вилітають з поверхні зразка практично не залежить від густини падаючої енергії. Для абляційного режиму руйнування якість поверхні сапфірової пластини виявилася найвищою.

У прикладному відношенні отримані результати забезпечують можливість практичної реалізації окремо, одночасно або почергово (комбіновано) двох основних режимів обробки сапфірових мішеней: високоякісного, але повільного - абляційного та швидкісного, але нижчої якості - плазмового.

Четвертий розділ присвячено дослідженню дії УФ випромінювання ексимерних лазерів на інший актуальний матеріал електронної техніки - пористий кремній.

Проблема тут полягає в слідуючому. Відомо, що технологія отримання шарів пористого кремнію основана на електротравленні. Часті випадки, коли в порах шарів присутня значна кількість залишкових продуктів травлення. Такі продукти, зокрема сілоксени, люмінесціюють, і до того ж в спектральному діапазоні, що майже співпадає з основною полосою випромінювання нанострктурованого кремнію. Виникають відомі проблеми з інтерпретацією властивостей такого випромінювання, яке часто слід розглядати як сумарне випромінювання наноструктурованого кремнію та силоксенів. В зв’язку з цим доцільним виглядає встановлення кореляцій між мірою очистки розвинутої поверхні пористого кремнію від сторонніх продуктів і його люмінесцентними характеристиками, що і було основним завданням цього розділу.

Очистка поверхні пористого кремнію складної морфології також здійснювалася шляхом її імпульсного опромінення випромінюванням ексимерного XeCl* лазера. Досліджувались зразки пористого кремнію різної технології приготування і умовно розділені на два типи. Візуально вони відрізнялися кольором: зразкам першого типу був властивий металічний відблиск, зразки другого типу мали буровато-коричньовий відтінок. Максимум полоси випромінювання зразків першого типу відповідав довжині хвилі 720 нм, а максимум полоси випромінювання зразків другого типу - 610 нм. Контроль міри очистки поверхні пористого кремнію здійснювався на основі аналізу дозової залежності амплітуди фотоакустичного відклику. Серед інших результатів виділимо те, що існує поріг (близько 20-ти імпульсів) дози опромінення, після якого залежність Uф-а(D) виходить на стаціонарне значення і яке визначається граничною чутливістю фотоакустичного методу до міри очищення поверхні. Для зразків 2-го типу значення дози опромінення співпадає з візуально спостережуваною зміною забарвлення зразка: від буровато-коричньового до металічного. Таким чином експериментально зареєстрований спадаючий характер залежності Uф-а(D) з виходом на стаціонарне значення є відображенням зростання міри очищеності поверхні зі зростанням дози опромінення. Спостережуване при використанні високих потужностей опромінення подальше різке зростання сигналу імпульсного фотоакустичного відклику при дозах вищих 45 імпульсів (Рис.8), властиве зразкам другого типу, зумовлене променевим руйнуванням каркасу структури пористого кремнію (спостережуване і візуально).

Для пояснення отриманих результатів запропоновано трьохшарову модель кремнієвої наноструктури, відповідну їй енергетичну діаграму електронних станів та модель дії лазерного випромінювання на фрагмент структури пористого кремнію. Для зразків другого типу дія УФ опромінення зводиться до очистки структури від остаточних продуктів травлення і ліквідації відповідних центрів, які впливають на формування люмінесцентного випромінювання в області її короткохвильового крила. Вплив УФ опромінення на зразки першого типу зводиться до додаткового УФ-оксидування поверхні зразків і, як наслідок, до пригнічення пасткових станів з захопленням нерівноважних носіїв заряду, впливом яких і пояснюється природа немонотонності залежності Iлюм(Т).

Виконано комплекс досліджень по встановленню кореляцій між спектрами люмінесценції зразків обох типів і дозою їх опромінення, яка відображає міру очистки їх поверхні. Звернуто увагу на два основних моменти: а) “дозовий” зсув максимуму сумарної полоси випромінювання в сторону більших довжин хвиль, який властивий тільки зразкам другого типу (Рис.9); б) трансформацію від немонотонного до монотонного характеру залежності інтегральної інтенсивності випромінювання від температури Iлюм(Т), яка властива тільки зразкам першого типу (Рис.10). В зразках другого типу інтегральна інтенсивність сумарного випромінювання по мірі зростання температури зменшується неперервно.

Рис. 9. Зміна спектрального роз-поділу інтенсивності фотолюмі-несценції зразків пор-Si другого типу під впливом УФ опромі-нення: 1 - вихідний зразок, 2 - підданий УФ-опроміненню до-зою 150 імпульсів (при густині енергії ~100 міліДж/см2).

Рис.10. Вплив УФ-опромінення на температурну залежність фотолюмінесценції зразків першого типу: 1 - вихідний зразок, 2 - підданий УФ-опроміненню дозою 150 імпульсів (при густині енергії ~100 міліДж/см2).

У прикладному плані продемонстровано можливість холодної очистки поверхні пор-Si складної морфології від залишкових продуктів травлення шляхом її опромінювання УФ імпульсами XeCl* ексимерного лазера; оптимізовано режим такого очищення поверхні та запропоновано новий метод контролю очистки, оснований на фотоакустичному ефекті.

ВИСНОВКИ

В результаті виконання дисертаційної роботи створено та апробовано унікальний широкодіапазонний ексимерний лазерний комплекс, доповнений ефективним ВКР-перетворювачем, випромінювання якого характеризується надвисокою спектральною яскравістю, малою розбіжністю, вузькою спектральною лінією та можливістю її тонкої перебудови в невеликих межах. Досліджено вплив власного фотонного поля на енергетичні та просторові характеристики випромінювання XeCl* ексимерного лазера та дію потужного ВУФ та УФ випромінювання на сапфір та пористий кремній.

Серед основних результатів дисертаційної роботи слід виділити наступні:

1.

2.

3.

4.

5.

Основні результати дисертаційної роботи опубліковано в роботах:

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

Бащенко С.М. Дослідження взаємодії потужного УФ випромінювання створеного ексимерного лазерного комплексу з сапфіром та пористим кремнієм. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. - Інститут фізики НАН України. Київ. 2001.

Дисертація присвячена створенню ексимерного лазерного комплексу, доповненого ВКР-перетворювачем, який здатний генерувати одночасно на кількох лініях у широкому діапазоні спектру і випромінювання якого характеризується високою спектральною яскравістю та можливістю тонкої перебудови генерованої лінії в невеликих межах, а також вивченню дії його випромінювання на активне середовище XeCl* лазера, сапфір та пористий кремній. Вперше експериментально виявлено і досліджено вплив розміру та положення додаткового фотонного поля ("фотонного котла") в резонаторі ексимерного XeCl* лазера на енергетичні та просторові характеристики його випромінювання. Запропоновано пояснення явища з позицій фотоіонізації іонів хлору у прикатодній області. По результатах досліджень запропоновано модифікації найуживаніших для ексимерних лазерів плоско-паралельного та нестійкого телескопічного резонаторів, які збільшують вихідну енергію випромінювання, її щільність у перетині променя, зменшують розбіжність та підвищують симетрію променя. Досліджено механізми фотогенерації звуку в сапфірових мішенях при зміні густини потужності лазерного опромінення. Вперше експериментально виявлено утворення, існування та виснаження специфічного приповерхневого шару при взаємодії випромінювання ArF* лазера з сапфіром у плазмовому режимі. Визначено умови взаємодії випромінювання ArF* лазера з сапфіром, які відповідають абляційному та плазмовому режимам. Вперше виявлено вплив УФ лазерного опромінення поверхні зразків пористого кремнію зі складною морфологією на спектральний склад та температурну залежність інтегральної інтенсивності його червоно-оранжевої полоси фотолюмінесценції. Продемонстровано придатність фотоакустичного метода для визначення порогу лазерного руйнування сапфіру та контролю очистки поверхні пористого кремнію.

Ключові слова: ексимерні лазери, надвисока спектральна яскравість, перебудова довжини хвилі, "фотонний котел", фотоабляція сапфіру, фотолюмінесценція пористого кремнію.

Бащенко С.Н. Исследование взаимодействия мощного УФ излучения созданного эксимерного лазерного комплекса с сапфиром и пористым кремнием. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. - Институт физики НАН Украины. Киев. 2001.

Диссертация посвящена созданию эксимерного лазерного комплекса, дополненного эффективным ВКР-преобразователем, и способного генерировать на нескольких длинах волн в широком спектральном диапазоне от ВУФ до БИК, излучение которого характеризуется: сверхвысокой спектральной яркостью (малой расходимостью и узкой линией), возможностью тонкой перестройки генерирумых линий в небольших пределах, возможностью достижения при фокусировке сверхвысоких плотностей мощности - до 1012 Вт/см2, а также изучению воздействия такого излучения на активную среду эксимерного XeCl* лазера , сапфир и пористый кремний.

Впервые экспериментально обнаружено и исследовано влияние размера и положения области с дополнительным собственным фотонным полем ("фотонного котла") в резонаторе эксимерного XeCl* лазера на энергетические и пространственные характеристики его излучения. Предложено объяснение наблюдаемого явления, ключевым моментом которого является предположение о фотоионизации (енергия фотонов 4,02 эV) отрицательных ионов хлора (енергия сродства атома хлора к электрону 3,62 эV) в "фотонном котле" и повышении концентрации электронов вследствии этого. В случае реализации "фотонного котла" в прикатодной области, где до этого, как правило, имеет место большое падение напряжения вследствии прилипания электронов к атомам хлора, повышение концентрации электронов ведет к выравниванию падения напряжения на разрядном промежутке, повышению энерговклада в большей части разрядного промежутка и, как следствие, к повышению энергии излучения. По результатам исследований предложены модификации наиболее используемых в эксимерных лазерах плоско-паралельного и неустойчивого телескопического резонаторов, которые увеличивают энергию излучения, ее плотность в сечении пучка, уменьшают расходимость и повышают симметрию пучка.

Впервые предложен и создан многоволновой широкодиапазонный лазерный излучатель с узкой линией излучения и возможностью ее тонкой подстройки. Излучатель состоит из эксимерного лазерного комплекса, что обеспечивает узкую линию и возможность ее тонкой подстройки в небольших пределах, дополненного ВКР-преобразователем, что обеспечивает возможность генерации одновременно на нескольких длинах волн в широком диапазоне спектра. Анализируется перспективность применения такого излучателя для зондирования атмосферы и одновременного измерения концентраций нескольких атмосферных составляющих, загрязнителей, аэрозоля, озона. Именно одновременность измерений обеспечит установление корреляций в их концентрациях и, таким образом, определение каналов их формирования, транспортировки и преобразования.

Исследованы механизмы фотогенерации звука в сапфировых мишенях, а также их переключения при изменении плотности мощности лазерного УФ облучения в широких пределах - до 6х109Вт/см2. Продемонстрирована высокая чувствительность фотоакустического метода и его пригодность для определения порога разрушения сапфира под воздействием лазерного УФ облучения.

Впервые получены экспериментальные данные свидетельствующие об образовании и существовании специфического приповерхностного слоя при взаимодействии излучения ArF* эксимерного лазера с сапфиром в плазменном режиме, а также о его истощении и полном исчезновении при уменьшении потока энергии ниже некоторого порогового за определенное число импульсов, которое позволило оценить его толщину в несколько десятков нм. Определены условия взаимодействия излучения ArF* эксимерного лазера с сапфиром, которые соответствуют абляционному и плазменному режимам взаимодействия и взаимным переходам между ними. Абляционный режим реализуется исключительно после предварительной обработкой поверхности образца в плазменном режиме и в диапазоне плотностей потока энергии 0,5 - 0,7 Дж/см2, а скорость вылета атомов алюминия при нем практически не зависит от потока энергии и составляет приблизительно 7 км/сек. Плазменный режим взаимодействия начинается ("зажигается") при плотности потока энергии 0,8 Дж/см2, после "зажигания" может поддерживаться и при снижении плотности потока энергии до 0,45 Дж/см2, а скорость вылета ионов алюминия пропорциональна плотности потока энергии и изменяется от 13 км/сек при плотности потока энергии 0,45 Дж/см2 до 18 км/сек при 0,8 Дж/см2.

Впервые установлено влияние УФ лазерного облучения поверхности образцов пористого кремния со сложной морфологией на его фундаментальные характеристики: спектральный состав и температурную зависимость интегральной интенсивности его красно-оранжевой полосы фотолюминесценции. Предложена трехслойная модель кремниевой наноструктуры, соответствующая ей диаграмма энергетических состояний и механизм воздействия УФ лазерного облучения на фрагмент структуры пористого кремния. Продемонстрирована высокая чувствительность фотоакустического метода и его пригодность для определения контроля меры очистки лазерным УФ излучением поверхности пористого кремния от остаточных продуктов травления.

Ключевые слова: эксимерные лазеры, сверхвысокая спектральная яркость, перестройка длины волны, "фотонный котел", фотоабляция сапфира, фотолюминесценция пористого кремния.

Baschenko S.M. Research of interaction of created ecximer laser complex UV radiation with sapphire and porous silicon. - Manuscript.

Thesis for a scientific degree of the candidate of physical and mathematical sciences by speciality 01.04.05 - optics, laser physics. - Institute of physics NAS of Ukraine, Kiev. 2001.

The thesis is devoted to creation of excimer laser complex having super-high spectral brightness of radiation, capability of generated line thin tuning as well as studying its radiation effect on XeCl* laser active media, sapphire and porous silicon. For the first time, influence of size and position of an additional intrinsic photon field ("the photon boiler") in the resonator of excimer XeCl* laser on power and spatial characteristics of its radiation are detected and studied experimentally. Interpretation of phenomena based on ions chlorine photo-ionization near cathode is suggested,