Введение к работе
Актуальность гены.
Лазеры находят все более широкое применение в прикладных и исследовательских целях. Обработка материалов, напыление пленок и покрытий из различных материалов, в том числе тугоплавких, напыление высокотемпературных оверхпроводящих пленок, создание ма* сок для изготовления микросхем, атомных пучков высокой плотности из материалов с низким давлением паров, ионных пучков для последующей их инкэкции в ускорители элементарных частиц, дистанционная диагностика состава твердых минений, атомизация и спектральный анализ микроОбразцов - лишь некоторые конкретные области применений лазеров».
Опрвделящую роль в этих приложениях занимает процесс взаимодействия мощного светового излучения с' поверхностью твердых тел. Однако, в настоящее время отсутствует полное понимание многих этапов указанного процесса. Существующие модели дают лищь качественное описание эмпирического материала, причем, как правило, в достаточно узком диапазоне параметров. Это связано со сложностью явления, для описания которого необходимо учитывать множество процессов - нагрев и плавлеіше вещества в динамическом режиме, испарение и образование плазмы, взаимодействущей о излучением и окружающим газом, неодномерность и нестационарность многопараметрической задачи и т. д.
Необходимо отметить, что наименее изучены процессы взаимодействия с веществом излучения ультрафіолетового диапазона , что отчасти объясняется относительно недавним появлением мощных УФ лазеров. Вместе с тем, ультрафиолетовое излучение характеризуется целым рядом специфических свойств: большая энергия кванта приводит к возможности двухфотонной фотоионизации атомов и пряной фотоионнзаіщп с низколекащих возбукденных состоящей; малая
-V-
длина волны определяет предельно малые области воздействия; коэффициенты отражения металлов существенно меньше, чем в инфракрасной области - эффективность воздействия больше; эрозионная плазма практически прозрачна для создапцего ее УФ излучения (при умеренной интенсивности), тогда как для СО, - лазера плазма становится непрозрачной уже на фронте светового импульса, полностью поглощая и отражая падающую волну. Эти особенности приводят, например, к существенному отличию таких важных параметров эрозионной плазмы, как температура и энергия направленного разлета. Важно отметить, что при переходе от инфракрасного к ультрафиолетовому диапазону появляются принципиально иные физические механизмы возникновения заряженных частиц и первоначальной ионизации (например, фотоэффект и т. д.Х, "нагрева" электронов, ведущего к образованию плазмы (наряду с обратным тормозным поглощением значительную роль могут играть неупругие столкновения электронов с возбужденными лазерным пучком атомами), взаимодействия разлетающейся плазмы с окружающей атмосферой и лазерным излучением. Описанные отличия, приводят к тому, что в ряде технологических процессов применение ультрафиолетовых лазеров является более эффективным, чем инфракрасных СОо и неодимовых, а в ряде случаев и единственно возможным.
Поскольку во многих приложениях, связанных с использованием лазерного излучения умеренной (Ю6 + I09 Вт/см2) интенсивности, определяющую роль играет эрозионная плазма, на основные ее параметры (концентрация, скорость и направленность разлета, степень ионизации и ионный состав, температура, общее количество частиц) зачастую накладываются весьма жесткие ограничения (к примеру, в случае напыления однородных пленок кинетическая энергия частиц не должна превышать величины пороговой энергии испарения материала плэнки и генерации дефектов в подложке). В связи с этим, су-
-y-
ществует необходимость в накоплении експериментальних данных о параметрах плазмы и динамике ее разлета в зависимости от параметров излучения и оптических и теплофизических свойств обрабатываемых, материалов и их паров я т. д. Подобные данные необходимы и для построения теоретических моделей, адекватно описывающих процессы взаимодействия достаточно коротковолнового дозорного излучения с поверхностями твердых тел.
Важной характеристикой процесса взаимодействия лазерного излучения с поверхностью твердых тел является пороговая интенсивность плазмообразования, однако для УФ лазеров известны лишь единичные эксперименты по определению этой величины, а имеющиеся данные получены в разных условиях взаимодействия, что затрудняет их анализ и интерпретацию, и часто значительно отличаются при близких условиях эксперимента. Необходимо отметить, что в настоящее время не существует достаточно четкого, общепринятого подхода к определению порога плазмообразования и методов его измерения. По-видимому, этим, в частности, и объясняется значительный разброс в данных, полученных различными авторами. Немногочисленные же теоретические модели и численные расчеты порогов зачастую плохо согласуются с экспериментальными данными и имеют ограниченную обла'сть применения.
На величину пороговой интенсивности образования плазмы при использовании лазеров видимого и УГ диапазонов могут влиять резонансные процессы и, в частности, эффект резонансной ионизации, который наблюдается в стационарных парах металлов и проявляется в резком снижении порога пробоя при совпадении длины волны лазера с длиной волны резонансного перехода в атоме паров. Однако данные о влиянии резонансных процессов на плазмообразование в эрозионных парах отсутствуют.
Целы» настоящей рвОоты явилось всестороннее изучение характеристик эрозионной плазмы,, возникапдей на поверхности металлов под действием излучения ультрафиолетового и видимого диапазона, динамики ее расширения, получение данных о порогах плазмообразо-вания для различных металлов в вакууме и влиянии на их величину процессов резонансной ионизации и фотоиониэации.
Для достижения поставленных целей необходимо решение следующих основных задач:
измерение основных параметров эрозионной плазмы, таких как электронная и ионная температура, концентрация, скорость и диаграмма разлета, их пространственных и временных зависимостей.
выработка критерия порога пробоя и методов прямого измерения пороговых интенсивностей плазмообразования на поверхности металлов в вакууме; экспериментальное измерение порогов плазмообразования на поверхности различных металлов под действием ультрафиолетового излучения ХеС1-лазера;
изучение влияния резонансных процессов на плазмообразова-ние и пороги пробоя на поверхности металлов в вакууме в ультрафиолетовом и видимом диапазонах длин волн, получение резонансных зависимостей порогов пробоя и основных параметров плазмы от длины волны лазерного излучения в окрестностях резонансных переходов, выяснение влияния на пороги пробоя процессов фотоионизации.
Научная новизна проведенных исследован^ состоит и следующем:.
И данной рабою впервые систематически измерены параметры ппазмы эрозионного факела, возникающего на поверхности алюминия под действием ультрафиолетового излучения ХеСХ лазера в вакууме.
Предложена и обоснована методика измерения порогов образования плазын на поверхности металлов под действием лазерного излучения. Впорвые прямым способом измерены величины порогов в вакууме под действием излучения ХеС1 - лазэра наносекундной длитель-
-/-
ности на поверхности ряда металлов.
Впервые экспериментально обнарувшо резонансное снижение порога образования лазерной плазмы на поверхности твердого тела при совпадении длины волны излучения с длиной волны перехода в атоме вещества мишени, измерены величины порогов и плотности эрозионной плазмы в зависимости от отстройки частоты лазерного излучения от резонанса. Показано, что именно резонансные процессы определяют величину порога пробоя на поверхности алвминия под действием излучения ХеСІ лазера.
Практическая ценность работы.
Полученные экспериментальные результаты по изучению порогов пробоя, параметров и динамики разлета эрозионной плазмы, создаваемой коротковолновым лазерным излучением на поверхности металлов, дают исходный материал для построения теоретических моделей взаимодействия излучения УФ - диапазона с веществом, позволяют прогнозировать результаты взаимодействия в условиях практического применения, являются важными для решения задач лазерного напыления, лазерной масс-спектрометрии, дистанционной диагностики, создания лазерных источников ионов и др.
Предложенный в работе способ определения порогов плазмообра-зования способствует выработке единого подхода к указанной проблеме, выявлению закономерностей, присущих явлению и позволяет сравнивать результаты, полученные разными авторами. Кроме того, знание порогов и закономерностей плазмообразования необходимо для оптимизации условий взаимодействия и получения плазмы с заданными параметрами, с этой точки зрения, при решении прикладных задач особенно важным представляется эффект резонансного сниггания порога плазмообразования в эрозионных парах, обнаруженный в данной работе, который может проявиться при случайном совпадении длины волны излучения и длины волны перехода в атоме вещества мишени.
-л -
На защиту выносятся следующие положения:
-
Результаты измерения порогов плазмооСразования на поверхности ряда металлов под действием ультрафиолетового излучения (АХ, ТІ, W, Си, HI, Сб.) и видимого излучения (Al, Na) в вакууме, обоснование методики их определения.
-
Результаты детального исследования параметров (температуры, плотности, скорости направленного движения) и динамики расширения эрозионного факела, создаваемого ультрафиолетовым излучением наносекундной длительности интенсивностью 10+10 Вт/см2 на поверхности металла в вакууме. Результаты экспериментов, показывающие, что разлет плазменного облака происходит в виде расширяющейся с течением времени оболочки.
-
Результаты экспериментального исследования резонансного пробоя на поверхности твердого тела (алюминия, натрия) в вакууме под действием излучения ультрафиолетового и видимого диапазона при совпадении длины волны лазера и длины волны резонансного перехода в атоме вещества шшени; результаты измерений резонансных зависимостей пороговых интенсивностей плазмообразования и параметров плазмы от величины отстройки от резонанса, зарегистрированное снижение пороговых интенсивностей в 2 + 2.5 раза при ширине резонансных кривых 3 + 8 нм.
4. Экспериментальное доказательство резонансного характера
образования плазмы на поверхности алюминия под действием излуче
ния ХеСХ лазера.
Апробация работы. Результаты диссертации докладывались и обсуждались на Всесоюзной школе "Лазеры и атмосфера", Обнинск, 1990; VIII Всесоюзной конференции по взаимодействию оптического излучения с веществом, Ленинград, 1990; IV Всесоюзной конференции "Взаимодействие излучения, плазменных и электронных потоков с веществом", Фрунзе, 1990; 14й международной конференции по когерен-
тной и. нелинейной оптике (КиНО 91), Ленинград, 1991; мездународ-ной конференции по передовым и лазерным технологиям (ALT 92), Москва, 1992; на конференциях и семинарах МФТИ.
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 13 печатных работах, в т.ч., в 8 статьях и 5 тезисах докладов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Общи объем диссертации страниц, из них страниц текста и рисунка. Библиография включает названий на страницах.
