Закономерности образования упорядоченных микро- и наноструктур в конденсированных средах при лазерном возбуждении мод поверхностных поляритонов Макин, Владимир Сергеевич

Диссертация - 480 руб., доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Автореферат - бесплатно, доставка 10 минут, круглосуточно, без выходных и праздников

Макин, Владимир Сергеевич. Закономерности образования упорядоченных микро- и наноструктур в конденсированных средах при лазерном возбуждении мод поверхностных поляритонов : диссертация ... доктора физико-математических наук : 01.04.05 / Макин Владимир Сергеевич; [Место защиты: С.-Петерб. нац. исслед. ун-т информац. технологий, механики и оптики].- Сосновый Бор, 2012.- 384 с.: ил. РГБ ОД, 71 13-1/279

Содержание к диссертации

Введение

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, 0" в 9" 118

2.8.4. Поляризованный по кругу свет 119

2.8.5. р— и s - поляризованное излучение, 9" в 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 СОг 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 СОг 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

Заключение 326

Литература 330

Дисперсия цилиндрических поверхностных плазмон поляритонов в слоистых структурах
Методы экспериментального изучения поверхностного рельефа
Мелкомасштабные микроструктуры на металлических зеркалах под действием серии наносекундных импульсов излучения СОг лазера
Образование периодических микроструктур на поверхностях прозрачных диэлектриков под действием излучения TEA СО2 лазера

Введение к работе

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 работа, 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 волн (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 плазмон 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 А0,30,5%, 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 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 поверхностно 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 плазмон 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. Было предложено 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.

Целью 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 фемтосекундных длительностей), включающее следующие (задачи) этапы исследования:

Выбор и разработка единой универсальной качественной физической модели процесса формирования упорядоченных структур в объеме и на поверхности конденсированных сред с участием поверхностных поляритонов.
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 структур (рельефа) в различных лазерно-индуцированных 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 p- поляризованного ЛИ с плотностями мощности порядка 10²⁰ 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 и расчетно-экспериментальных методик определения ПС и ее температурной производной.

8. Изучение дисперсионных свойств ППП 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 диссипативных 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 (АСМ, 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.

На основе предложенной универсальной поляритонной модели развит ряд частных моделей, описывающих процессы в конкретных системах и условиях облучения.
Обнаружена и исследована анизотропия процесса рекристаллизации поверхности металла под действием импульсного линейно поляризованного ЛИ и предложена новая модель для объяснения явления.
Предложена новая микроскопическая модель для объяснения явления генерации направленного релятивистского пучка электронов петаваттным р-поляризованным ЛИ.
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.
Впервые в мировой литературе интерпретировано образование существенно субволновых упорядоченных структур разрушения поверхностей конденсированных сред на основе интерференции с участием канальных ППП (КППП). Предложен принцип самосборки упорядоченных массивов наноструктур с плотностью ~10⁹ см^-2 в условиях возбуждения ЛИ ППП и КППП.
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).
Впервые предложена схема и реализован гетеродинный ПЭВ-интерферометр для определении фазовой скорости ПЭВ и оптических постоянных металла.
Предложен новый метод определения частоты электрон-фононных столкновений в металле на основе измерения температурной зависимости коэффициента затухания ПЭВ.

Основные положения, выносимые на защиту

Универсальная поляритонная модель лазерно-индуцированного разрушения конденсированных сред, справедливая для диэлектриков, полупроводников и металлов в широком диапазоне длительностей излучения, вплоть до фемтосекунд, и диапазоне плотностей мощности до 10¹⁴ Вт/см². Модель основана на участии в интерференции поверхностных поляритонов На ее основе предложена физическая интерпретация явлений динамического изменения поглощательной способности и образования упорядоченных микроструктур, вектор решетки которых параллелен тангенциальной проекции вектора напряженности электрического поля ЛИ, в том числе:

мелкомасштабных структур (_d<<_l) на поверхностях металлов, имеющих металлоподобные окислы и в условиях образования металлической плазмы низкопорогового приповерхностного оптического пробоя;

мелкомасштабных структур () на выходных поверхностях диэлектрических пластин с низкой величиной показателя преломления n;

наноструктур показателя преломления в цилиндрических микроканалах 4H-SiC;

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

наноструктур рельефа вдоль гребней основного резонансного рельефа.

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.
Качественная физическая модель генерации релятивистских латеральных пучков электронов при взаимодействии _p-поляризованного ЛИ мощностью ~ 10²⁰ Вт/см² с металлической мишенью, основанная на возбуждении мощной волны поверхностных плазмон поляритонов и увлечении ею электронов слоя пространственного заряда. Модель объясняет генерацию направленных пучков релятивистских электронов при облучении цилиндрической металлической мишени лазерным излучением.
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).
Физические принципы лазерно-индуцированной самосборки (самоорганизации) массива упорядоченных структур микро- и нанорельефа с плотностью на поверхностях металлов и полупроводников на основе интерференции с участием ППП.
Решение задач о существовании поверхностных поляритонов в плоской и цилиндрической геометриях на границе раздела диэлектрик – поверхностно-активная среда с экспоненциально пространственно изменяющейся диэлектрической проницаемостью и в слоистых структурах. Обнаружено возникновение максимума дисперсионной кривой.
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).
Результаты экспериментальных исследований, в которых установлено, что с использованием экспериментально измеренной величины температурного коэффициента затухания ПЭВ (_a) можно определить минимальную величину _a 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 излучательной 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 радиально 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 ППП и КППП позволят реализовать технологии формирования растров конических острий (катодов Спиндта) с плотностью острий ~10⁹ см^-2 и радиусом кривизны вершины острия ~(1 – 2) нм 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 нанотехнологических 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 гетеродинной 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 использован 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.

Апробация 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-VIII 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» (Санкт-Петербург, 2000 г.); XI-XIII 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-Petersburg, 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 Оптика».2002-2012 гг. (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 Internatiоnal Midwest Symposium on Circuits and Systems. USA, 2009; Mini-colloquium & International Workshop «Modern 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, 2011-2012 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 asnd Relaxed Optical Processes. Problems of Interactions”. Lutsk: Vezha-Print. 2013. 280 p.

Исследования поддерживались грантами РФФИ № 94-02-05802, №09-02-00932а, грантами Международного научного фонда и правительства России No RNS300 и No R3W300, грантом INTAS No 03-51-4924, грантом 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 А.М. 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 398 страниц.

Дисперсия цилиндрических поверхностных плазмон поляритонов в слоистых структурах

Сравнительно недавно из множества моделей был выделен механизм, позволивший наиболее полно объяснить особенности поверхностного усиления оптических процессов. Это локальное усиление электрического поля внешней волны в области сильного искривления поверхности или в частицах металла, обусловленное возбуждением локальных поверхностных плазмонов. Эффект проявляется в увеличении до 104 раз сечения комбинационного рассеяния молекул на поверхности металла [71]. Кроме ГКР, эффект усиления, связанный с наличием на поверхности металла молекул, проявляется в гиперкомбинационном рассеянии, увеличении ИК - поглощения и люминесценции, а также в усилении генерации второй гармоники от таких поверхностей. Локальное усиление поля влияет и на процессы, не связанные с наличием молекул на поверхности - генерацию второй гармоники на шероховатых поверхностях.

ЛПП привлекались также для предсказания и объяснения ряда процессов, традиционно относящихся к тематике нерезонансного взаимодействия излучения с конденсированными средами. Так, в [72] был предложен механизм разрушения поверхностей полупроводников ЛИ, включающий образование метастабильных капель электронно-дырочной жидкости с плотностью порядка металлической, и последующее поглощение энергии этими каплями с возбуждением ЛПП. Предложенный механизм можно рассматривать как предшествующий формированию обычных ППС при пикосекундном воздействии на полупроводники. Предложенный в [72] механизм разрушения поверхностей полупроводников основан на возбуждении в металлизированных наночастицах ЛПП.

В [73] было высказано предположение о том, что эффект усиления электрического поля при возбуждении лазерным излучением ЛПП может оказывать влияние на низкопороговый оптический пробой воздуха (НОП) вблизи металлических поверхностей. Это предположение аналогично высказанному ранее о влиянии усиления поля НОП при генерации ППП [61 ]. В последнем случае основной трудностью в объяснении НОП при воздействии излучения средней ИК области являлось сравнительно небольшое, по отношению к видимой области спектра, усиление поля, и поэтому отсутствие источника, поставляющего затравочные электроны.

Интересно отметить работу [74], в которой показано, что повышенная электронная эмиссия с поверхности золота, наблюдавшаяся при действии импульсов СОг лазерного излучения (0.06 - 4) ГВт/см2, не может быть объяснена ни многофотонным фотоэффектом, ни термоэмиссией при локальном разогреве поверхности.

В раде экспериментальных работ была обнаружена генерация гигантского тока при облучении импульсами наносекундного лазерного излучения жгутов нанотрубок (см., например, [75]). В [76] предложена теория для объяснения эффекта генерации гигантского тока в металлических нанопроводах, а сам эффект рассматривался как нерезонансный. В геометрии Кречмана в резонансе была обнаружена генерация тока. Эти разрозненные эффекты долгое время не находили физического объяснения и могут быть объяснены с единой точки зрения - с использованием явления генерации поверхностных плазмон поляритонов и увлечения ими электронов.

Приведенный обзор и анализ экспериментальных и теоретических рабат, посвященных взаимодействию лазерного излучения с конденсированными средами, позволяет сделать следующее заключение:

До появления наших публикаций совершенно не возникал вопрос о возможности участия ПП в силовом воздействии ЛИ. Предположение об определяющей роли частичного преобразования ЛИ в ПП и волноводные моды (ВМ) было высказано нами совместно с М.Н. Либенсоном для объяснения образования на поверхностях конденсированных сред периодических структур при нагреве лазерным излучением [46]. В разработку этой идеи большой вклад внесен также В.П. Аксеновым, Эрлихом и Бруеком, Сиегманом и Фурчетом, Каэлманом и Е.А.Виноградовым, группами В.А. Сычугова и Дж. Сайпа. Следует выделить существенный вклад в теорию этого вопроса, сделанный А.В. Кацем и В. В. Масловым, В.И. Емельяновым и В.Н. Семиноговым, Л.А. Вольтовым и A.M. Дыхне, П.С. Кондратенко и Г.М. Гандельманом.

Впервые в 1981 году нами была предложена качественная физическая модель разрушения границы раздела сред, одна из которых является поверхностно - активной (на границе раздела с которой возможно существование поверхностных поляритонов), либо приобретает это свойство в процессе воздействия ЛИ, основанную на возбуждении поверхностных поляритонов и их интерференции с падающим излучением с образованием регулярных структур разрушения поверхности [46 , 47 ]. Позднее ее стали называть универсальной поляритонной моделью [77]. Поскольку волноводные моды имеют свойства, близкие к ППП, они также включаются в поляритонную модель. Их возбуждение в исходных либо индуцированных лазерным излучением волноводных структурах также приводит к формированию структур с периодами порядка XIп, где п — показатель преломления среды. Вместе с тем, набор периодов структур, формирующихся в различных условиях в результате воздействия излучения, оказался удивительно богатым по сравнению с приведенной упрощенной схемой интерференции; он также зависел от условий воздействия, материала, параметров лазерного излучения, и часто не укладывался в предложенную модель, что требовало проведения дополнительных исследований.

За последние 15 лет появилось значительное количество экспериментальных данных о специфическом характере разрушения объема и границ раздела конденсированных сред с существенно различными физическими свойствами под действием импульсов поляризованного лазерного излучения ультракороткой длительности. С появлением первых экспериментальных результатов по взаимодействию линейно поляризованного ЛИ фемтосекундной длительности на конденсированные среды стало ясно, что набор формирующихся структур гораздо богаче, чем в случае длинных импульсов, а регулярные структуры образуются в конденсированных средах с существенно различными свойствами (металлы, полупроводники, диэлектрики), в том числе в объеме конденсированной среды. Периоды наблюдаемых структур изменялись в большом диапазоне длин, от 30 нм до величин порядка нескольких длин волн воздействующего излучения, в зависимости от типа материала, плотности мощности лазерного излучения, поляризации излучения, угла падения, прозрачности материала. Первые эксперименты по наблюдению формирования резонансных периодических микроструктур с использованием ЛИ фемтосекундной длительности были проведены на графите [78]. Был установлен механизм их образования, основой которого является универсальная поляритонная модель. Однако вопрос о том, каким образом осуществляется материальная запись структур, в [78] не обсуждался. В более поздней работе [79] возбуждение поверхностных плазмон поляритонов на поверхностях металлов связывалось с процессами параметрического преобразования лазерного излучения, в [82] -с полярйтонной моделью без каких-либо комментариев.

В ряде работ (см., например. [81 -83]) было обнаружено образование наноструктур показателя преломления в объеме широкозонных диэлектриков под действием серии импульсов линейно поляризованного излучения фемтосекундной длительности. Для воздействия на кварцевое стекло были предложены две модели: а) модель интерференции падающего ЛИ и возбуждаемой акусто-плазменной волны в объеме стекла [83]; б) модель возбуждении локализованных поверхностных плазмонов и разрушении их полем локальных областей в объеме стекла [84].

Методы экспериментального изучения поверхностного рельефа

Рассмотрена задача о существовании поверхностных плазмон-поляритонов в цилиндрической геометрии на тонких металлических проводниках. Получено и проанализировано дисперсионное соотношение для цилиндрических поверхностных плазмон поляритонов, найдена область существования дисперсионной кривой с максимумом, получены параметрические зависимости. Полученные результаты опубликованы в работах [7-10]. Теоретические исследования дисперсии и возбуждения поверхностных поляритонов в цилиндрической геометрии проводятся длительное время [19, 20]. Тенденция к дальнейшей миниатюризации оптико-электронных устройств, связанная с развитием направления наноплазмоники, разработкой устройств объединения оптических схем с электронными, заменой оптоэлектронных устройств на волноводных модах на соответствующие устройства на поверхностных плазмон поляритонах (ППП) [21-23], вызвала появление ряда интересных экспериментальных работ по исследованиям цилиндрических поверхностных плазмон поляритонов. Так, экспериментально реализован плазмонный резонатор на нанопроволоке [24], экспериментально изучены плазмонные моды золотых наноцилиндров [25]. Активно разрабатывается направление по созданию композитных метаматериалов с отрицательным коэффициентом преломления на базе взаимодействующих периодических наноструктур, что вызвано перспективой их применения для видимой и телекоммуникационной областей спектра [26]. В то же время известно, что отрицательная рефракция реализуется для поверхностных плазмонов [27], и дисперсионная зависимость поверхностных плазмон поляритонов с максимумом имеет место на плоской границе раздела при наличии переходных слоев [28 5], для многослойных наноструктур металл-диэлектрик при учете зависимости диэлектрической проницаемости от волнового вектора [18]. Дисперсионные свойства поверхностных поляритонов в цилиндрических структурах из левосторонних сред рассчитывались в [29]. В данной работе рассматривается задача о существовании поверхностных плазмон поляритонов в слоевой системе в цилиндрической геометрии. Схематическое изображение рассматриваемой системы показано на вставке рис. 1.3: металлическая проволока (среда 1) покрыта оптически тонким слоем материала, имеющего металлоподобные свойства (среда 2, далее называемая тонким слоем) и помещена во внешней среде (вакуум, среда 3); цилиндрическая проволока считается неограниченной вдоль оси z цилиндра.

Здесь Sn = exp n0 + ikz — /&#)-экспоненциальный фактор; г - мнимая единица; j = 1 (металл); 2 (металлоподобный материал); 3 (воздух); п = 0,1,2,3,...- целые числа; є j диэлектрическая проницаемость j - ой среды; к - радиальная составляющая волнового вектора в У-ой среде: к = (—) - к ; kz - волновое число возбуждения, распространяющегося вдоль оси z z, одинаковое для сердцевины, прослойки и внешней среды; /л = \; ZJn{x) - цилиндрическая функция (Бесселя и Ханкеля) порядка п; знак ( ) обозначает производную dZ{x)l сіх по аргументу х = к}г .

Будем рассматривать только безызлучательные моды. Следовательно, во внешней среде (вакуум) къ — мнимая величина и Zn (кгг) - модифицированная функция Бесселя

КІ(кгг). В области тонкого слоя (металлоподобная среда) диэлектрическая проницаемость є2 отрицательна и Zn{k2r) берется в виде линейной комбинации модифицированных функций Бесселя 1„(к2г) и Кп(к2г) В сердцевине (металл, на рис. 1 - среда 1, содержащая ось г: точку г = 0) функция Z\(k r) - это модифицированная функция Бесселя 1„{к\Г) Постановка граничных условий о непрерывности тангенциальных компонент полей Е и Н на границе раздела двух сред приводит к системе линейных уравнений для коэффициентов aJn и Ъ]п , решая которую приходим к дисперсионному соотношению й) = со(к,) Соотношения для ТМо моды (#z =0 и п = 0) приводят к следующему характеристическому уравнению:

Уравнение (1.62) при заданных величинах Ях,К2,єх,єг,єг определяют дисперсионную зависимость ПП в цилиндрической геометрии со = co(kz) для ТМо моды. Диэлектрическая проницаемость воздуха и тонкого слоя металлоподобного материала є 2 в данной работе принимаются не зависящими от частоты света.

Численные решения дисперсионного соотношения получены с использованием математического пакета Mathcad для модельного случая, когда диэлектрическая проницаемость тонкого слоя порядка (-1), то есть слой малой толщины (є2) имеет металлоподобные свойства: его плазменная частота существенно отличается от плазменной частоты металла. Такая ситуация возможна для естественных окислов некоторых переходных металлов в видимой и ИК области спектра [31, 32]. Металлоподобные свойства имеет также ряд силицидов металлов в ближней ИК и видимой области спектра [33]. В ряде случаев это могут быть специальным образом полученные пленки окислов металлов, например, окисла платины [34].

Для отыскания дисперсионного соотношения поверхностного плазмон поляритона в цилиндрической геометрии частотная зависимость диэлектрической проницаемости металла є (со) бралась из экспериментальных данных [35] для платины. При отыскании собственных мод мнимая часть ех (со) не учитывалась.

На рис. 1.3 представлены расчетные дисперсионные кривые для нанопроволоки из платины, покрытой слоем материала толщиной t = R2 - Rt =10 нм с диэлектрической проницаемостью єг =-0.8. Решение уравнения (1.62), полученное численным путем, представлено на рис. 1.3 для нескольких сечений проволоки: Rt = 50 нм; 100 нм; 1 мкм.

Особенностью частотной дисперсии co(kz)B цилиндрической геометрии в модельной структуре со слоем (среда 2) с малой по модулю отрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости является существование дисперсионной кривой с максимумом и наличие двух ветвей (восходящей и нисходящей). На восходящей ветви (kzl « к0) групповая скорость волны совпадает по направлению с фазовой. Для нисходящей ветви характерно кг2»к0. На нисходящей ветви дисперсионной кривой, при kz2 »&0, групповая скорость волны становится отрицательной: групповая и фазовая скорости имеют противоположные направления. В точке максимума кривой групповая скорость равна нулю. Существование двух ветвей на дисперсионной кривой вызвано эванесцентными полями, проникающими через металлоподобный слой с малой величиной отрицательной диэлектрической проницаемости. Наличие на одной частоте обычных и поверхностных волн с большими модулями волновых векторов может вызывать различные эффекты интерференции цилиндрических поверхностных плазмонов (ЦПП) с падающим излучением.

Появление нисходящей ветви на дисперсионной кривой может быть осуществлено лишь при подходящем выборе диэлектрической проницаемости металлоподобного тонкого слоя на проволоке (из диапазона значений є2). При этом положение максимума дисперсионной кривой определяется величинами радиусов Rt и R .

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

В ряде случаев при плохом качестве полировки образцов на их поверхностях существовал квазинепрерывный по периодам набор решеток, направление которых связано с кристаллографической ориентацией плоскостей монокристалла. Если это направление совпало с каким-либо из направлений формируемых решеток jf1, наблюдалось увеличение ДЭ таких решеток. При плотности энергии излучения Q = 0.2 Дж/см2 сначала возникает совокупность решеток g , а затем и g+, с меньшей ДЭ, причем ДЭ решеток g нарастает до максимального значения, большего, чем Д.Э. решеток g+ (см. также [12]). Из выражения (2.32) следует, что инкременты неустойчивости для решеток g и g+ одинаковы, поскольку для р - поляризованного излучения угловая зависимость энергетического коэффициента преобразования //(/?, в) совпадает с угловой зависимостью величины \g\, стоящей в знаменателе. Более точное выражение для инкремента неустойчивости (Гр) при твердофазном механизме роста ППС получено в [12]: Гр cos/?(cos/?-sin#) l , gtf.G) Г g(P,0) а где а- коэффициент поглощения излучения в оптически тонком слое расплава полупроводника; Г0 —не связанный с угловыми характеристиками множитель. Из приведенного выражения следует, что Гр(/3 = 0) _a + (l + sm0)ko Тй(Р = л) a + (l-sin#)fc0 то есть инкремент нарастания решетки g больше. При увеличении Q в (1.3 - 1.5) раза доминирует решетка g+. Изменение поведения решеток с ростом Q можно объяснить, исходя из результата теории гидродинамического механизма формирования ППС, развитой М.Н. Либенсоном [12], согласно которой при формировании достаточно толстых слоев расплава (Ь) инкремент неустойчивости ППС пропорционален — — . Поскольку gb « 1, инкремент пропорционален \g\, то есть \ + gb выше для решеток с меньшими периодами, что полностью совпадает с экспериментом. Физически это связано с тем, что при формировании ППС с малыми d легче осуществить перенос массы на меньшие расстояния.

После достижения максимума ДЭ, как правило, начинается медленная деградация ППС, сопровождающаяся появлением как упорядоченного, так и неупорядоченного рельефа. К числу причин, ответственных за деградацию основных решеток следует отнести изменение дисперсионного соотношения на поверхности с регулярным рельефом [19 ], формирование поверхностных слоев (окисление или разложение материала), значительное увеличение эффективного поглощения излучения поверхностью на резонансном рельефе и увеличение времени существования расплава, влияние интерференции ППП, неоднородное по пятну углубление рельефа и, как следствие, неоднородная по пятну скорость движения рельефа.

Представляет интерес взаимное пространственное расположение решеток, формирующихся на поверхности. Обычно каждая из них занимает определенную площадь в пределах зоны воздействия и частично перекрывается с другими решетками (имеются ввиду решетки g ). Ориентация и период решеток одной группы обычно плавно и непрерывно изменяются с координатой на поверхности.

В некоторых случаях наблюдается формирование двух групп решеток на поверхности с некоторым пространственным перекрытием. При этом удается экспериментально наблюдать своеобразную динамику решеток (см. рис.2.5) [20 ] при действии излучения с частотой повторения импульсов 12.5 Гц на поверхность монокристаллического германия. Первоначально нарастает и доминирует ДЭ решеток g , а ДЭ решеток g+ растет значительно медленнее. ДЭ решеток g первой достигает максимума и начинает уменьшаться, вплоть до нуля. К этому времени ДЭ решеток g+ достигает максимума, что означает наличие на поверхности в основном решеток этой группы. С дальнейшим увеличением числа импульсов ДЭ двух совокупностей решеток осциллируют в противофазе. В экспериментах наблюдалось до (5 - 6) максимумов дифракционной эффективности. Понижение значения ДЭ каждого последующего максимума коррелировало с постепенным ухудшение качества поверхности по мере воздействия излучения: рассеяние излучения зондирующего гелий-неонового лазера росло приблизительно равномерно во все наблюдаемые углы. Экспериментально наблюдаемые пульсации касаются большей, но не всей совокупности решеток g и g+: решетки, формируемые ПП с ks с большими /3 в динамику не включались. Например, в минимумах

ДЭ решеток исчезало приблизительно 2/3 длины рефлекса, отвечающего решеткам g+. По мере увеличения количества максимумов ДЭ положение рефлексов, отвечающих решеткам g+, смещаются в область меньших d на (150 - 200) А и уширяется. Объяснение наблюдавшейся динамики поведения решеток связано с изменением дисперсионного соотношения для ППП за счет роста высоты рельефа с последующим изменением фазы у . Наиболее часто встречающийся механизм развития рельефа отвечает р = Ъя1А (увеличение плотности материала при плавлении, плавление с вытеснением жидкой фазы давлением паров, и т.д.). С ростом высоты решеток одновременно растет Res и Ims на данной частоте со. Если период формирующегося рельефа определяется дисперсионным соотношением невозмущенной поверхности, то за счет роста глубины рельефа увеличивается Rev, а точка = 0 ( = // cos в) и А движутся вправо по оси к (см. рис.2.6, на котором изображена зависимость = (&)). В силу инерционности роста рельефа величина положительной обратной связи, пропорциональная cos q , будет уменьшаться, вплоть до смены фазы (cos p 0). Это будет приводить к сглаживанию рельефа g . В это же время глубина решетки g+ еще не велика и растет, как и размер области ее пространственной локализации. При достижении максимума ДЭ решеток g+

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

К настоящему времени высказаны две точки зрения на механизм формирования мелкомасштабного периодического рельефа. Согласно первой [12, 26], процесс связан с возбуждением капиллярных волн расплавленной поверхности металла, в спектре которых нарастают и выживают неустойчивости с характерным значением волнового вектора » „» причем g±E,.

Отличительной чертой второй точки зрения [3 , 10 -11 ] является модификация свойств границы раздела при лазерном окислении: на поверхности металла образуется совокупность окислов, среди которых есть металлоподобные с диэлектрической проницаемостью є(а ) О в ИК области спектра. При \е\ 1 наличие таких окисных слоев сильно изменяет спектр ПП: как показано в 1.2, наряду с восходящей, в спектре появляется ниспадающая ветвь, для которой ks »к0, см. рис. 1.2. Формирование мелкомасштабного рельефа связано с возбуждением ППП этой ветви [10].

Сканирование линейно поляризованного излучения непрерывного СОг лазера мощностью до 40 Вт осуществлялось со скоростями от 0,1-т-б мм/с: направление сканирования пучка излучения по образцу (v) было параллельно (±&,) и Ё,, см. рис.3.4. В опытах использовалось р-поляризованное излучение, фокусируемое на поверхность образца линзой из селенида цинка с f=35 мм. Воздействию подвергались полированные образцы массивного титана, необработанные поверхности листового титана (прокат марки ВТ 1-0), полированная и неполированная нержавеющая сталь с гальваническим покрытием хромом и кадмием, фольги из вольфрама, молибдена и тантала, полированные образцы тантала, молибдена. След воздействия излучения изучался с использованием оптического микроскопа МБИ-6.

Как следует из описаний условий экспериментов, воздействию излучения подвергались переходные металлы и сплавы, поэтому чрезвычайно существенна информация об оптических свойствах окислов этих металлов.

Об оптических свойствах окислов переходных металлов, особенно с низкой валентностью, известно крайне мало. В ряде случаев не известно, является ли окисел металлическим, либо нет. В таблице 3.1 приведены некоторые данные по окислам 3d-, 4d-и 5d- элементов переходных металлов, в основном заимствованные из [27-37]. Специально отметим, что свойства стехиометрических окислов могут кардинальным образом отличаться от свойств нестехиометрических окислов [29-30], что прослеживается и на примере WO3 (см. таблицу 3.1). Данные, приведенные в таблице, будут использованы и обсуждены ниже, при анализе экспериментальных результатов.

Режимы воздействия излучения, отвечающие формированию мелкомасштабных периодических поверхностных структур на титане, нержавеющей стали и хроме, характеризовались относительно низкими плотностями мощности излучения, приводившими лишь к окислению поверхности металла (q=l -И0 кВт/см ). Структуры в этом случае представляли собой пространственно неоднородную по толщине окисную пленку. Основные структуры, период которых d X, при этом не образовывались. Типичная микрофотография рельефа, полученная на полированной поверхности титана, приведена на рис.3.3а. Видно, что в центре следа воздействия вектор решетки g\ \v\ \Ё,, что отвечает интерференции падающей волны с полем поверхностного поляритона. К периферии следа вектор плавно изменяет свою ориентацию. Такое искривление структур, по-видимому, уместно связать с рефракцией поверхностной волны на формирующейся неоднородной по толщине (поперек следа воздействия) окисной пленке. Исследование морфологических микроразрушений показало, что период структур, изменявшийся в диапазоне 0,7- 2,5 мкм, больше в областях с большей толщиной окисла. Это коррелирует с выводами поляритонной модели формирования мелкомасштабных ППС на поверхности окисляющихся металлов, согласно которой (см. формулу 1.476 при 0 1): Особенностью ППП в такой слоистой системе является существование возбуждения, электрическое поле которого сосредоточено в поверхностно-активной среде с Re j Re г0 J и слое (в данном случае, слое металлоподобного окисла), а не в диэлектрике (воздухе), как для обычных ППП с энергией менее 1 эВ. Из простых качественных соображений следует, что процесс формирования мелкомасштабного периодического рельефа при одновременном окислении поверхности металла имеет некоторые преимущества по сравнению с образованием основного регулярного рельефа с d-А. за счет окисления. Во-первых, это связано с тем, что длины затухания ППП с большими модулями волновых векторов меньше, чем для ППП с

К 0 см- формулу (1.51). Поскольку полуширина линии ППП (МД/2 L ] , вывод системы из резонанса за счет изменения дисперсионного соотношения при увеличении толщины суммарной окисной пленки осуществляется существенно медленнее при формировании мелкомасштабного рельефа. Именно этим объясняется экспериментальный результат, согласно которому основные ППС с ks &0 при сравнительно низкоинтенсивном воздействии излучения с А,=10,6 мкм в режиме окисления поверхности не наблюдались. Во-вторых, для мелкомасштабного рельефа может быть выше глубина пространственной модуляции теплового разогрева, за счет более эффективного ввода энергии на нем, поскольку ju {ksh), см. формулу (1.19). Это может означать, например, что при увеличении на порядок величины ks равные инкременты нарастания структур будут реализовываться при меньших, по сравнению со случаем ks &0, значениях глубины модуляции рельефа. Для оценки соответствующих величин необходимо знание оптических констант действительной и мнимой частей соответствующих окислов на Х=10,6 мкм. Существует и еще один благоприятный фактор для формирования мелкомасштабных ППС. Если слой высших неметаллических окислов, образующихся в процессе воздействия излучения, за счет испарения стабилизируется то толщине, вывод системы из резонанса также замедляется. По-видимому, именно такая ситуация реализуется на молибдене, при действии коротких импульсов излучения СОг лазера, поскольку образующийся окисел МоОз испаряется уже при температурах «1257 С, тогда

Микрофотографии поверхностного рельефа, полученные при действии линейно поляризованного сканируемого излучения на поверхность титана, иллюстрирующие формирование: а) мелкомасштабных структур на полированном титане, q=4KBT/cM2, v=0,2 мм/с; б) основных и мелкомасштабных структур, q=8 кВт/см2, v=l мм/с; в) чередующихся областей основных и мелкомасштабных структур, я=30кВт/см2, v=4 мм/с; г) крупномасштабных структур, q=70KBT/cM2, v=0,2 мм/с. как температура кипения металлического молибдена равна 4800 С. Помимо перечисленных факторов, способствующих росту мелкомасштабного рельефа, следует учитывать растущее с уменьшением d теплопроводностное сглаживание рельефа.

Отметим также, что в пользу модели свидетельствует и набор металлов, при воздействии на которые обнаруживаются мелкомасштабные ППС: они наблюдаются на поверхностях всех металлов, приведенных в таблице 3.1, за исключением циркония и ванадия (опыты на них не проводились). Для лазерного окисления металлов в атмосфере воздуха в ряде случаев характерно образование нестехиометрических окислов. Так, например, моноокисел титана TiOx, имеющий высокую степень нестехиометричности, 0,5 х 1,5, как в упорядоченной, так и в неупорядоченной фазе обладает металлическими свойствам при любых температурах [28]. Металл с содержанием кислорода х 0,5 также обладает металлическими свойствами. Как установлено в [22] на основе анализа данных по коэффициенту отражения на А,=0,63 мкм и А,=10,6 мкм, послойному травлению поверхностного слоя и его ЭСХА анализу, металлическими свойствами для Х=0,63 мкм обладает более тонкий слой с х 1,3. Кроме того, у соединений ТІ2О3 и ТІ4О7 при температурах, соответственно, 500 К и 150 К, начинаются фазовые переходы полупроводник-металл, причем у ТІ2О3 он размазан по температуре [38].

В наших опытах по воздействию серии импульсов излучения СОг лазера наблюдалось образование мелкомасштабных ППС на поверхности нержавеющей стали; в режиме окисления они наблюдались при действии непрерывного излучения СОг лазера на неполированных очищенных поверхностях нержавеющей стали, однако отсутствовали при окислении полированной поверхности. Формирование мелкомасштабных ППС можно связать с наличием фазового перехода Вервея полупроводник-металл у БезСм (см. таблицу 3.1), поскольку в высокотемпературном состоянии магнетит обладает металлическими свойствами, а наличие нестехиометричности (дефицит металла) может понизить электропроводность. Однако более вероятно, что процесс связан с образованием окислов хрома. Дело в том, что формирующиеся при окислении хрома мелкомасштабные ППС, вероятно, связаны с образованием СгОг, имеющего металлический характер проводимости. Для окончательного ответа на этот вопрос целесообразно проведение опытов на железе.