Введение к работе
Актуальность темы
Уникальные характеристики излучения фемтосекундных лазеров дают возможность использовать их в фундаментальной науке, технике и медицине. Быстрое развитие фемтосекундных лазерных систем за последние два десятилетия привело к созданию большого многообразия таких лазеров по значениям выходной энергии, длительности импульса и длинам волн. Разработка фемтосекундных лазеров позволила не только получить рекордные плотности, мощности и температуры, но и изучать сверхбыстрые процессы, протекающие в различных материалах.
Отличительная особенность воздействия фемтосекундных лазерных импульсов состоит в том, что длительность импульса является меньше характерных времён релаксационных процессов. Это позволяет создавать в течение действия импульса в поверхностном слое полупроводников электрон-дырочную плазму с концентрацией носителей выше 1022 см-3 (более 10% валентных электронов находятся в возбужденном состоянии в зоне проводимости).
Исследования процессов образования и релаксации электрон-дырочной плазмы высокой плотности в полупроводниках, фазовых превращений и связанных с ними явлений, возникающих при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов, имеют фундаментальное значение и являются чрезвычайно актуальными в настоящее время. Результаты подобных исследований дают новую информацию о физических процессах, которая позволяет управлять структурными превращениями вещества, получать новые материалы с необычными свойствами и служит основой для разработки новейших лазерных фемтосекундных технологий.
Цель работы
Целью работы является исследование процесса образования и динамики релаксации электрон-дырочной плазмы с высокой концентрацией носителей в широкозонных полупроводниках (кремний и арсенид галлия) при воздействии инфракрасных фемтосекундных лазерных импульсов.
Для достижения поставленной цели работы решаются следующие задачи:
- создание экспериментальной установки для проведения исследований и разработка усилителя мощности для усиления импульсов фемтосекундного хром-форстеритового лазера на длине волны излучения 1240 нм;
- исследование динамики релаксации электрон-дырочной плазмы, созданной фемтосекундными лазерными импульсами в кремнии и арсениде галлия при интенсивностях ниже порога плавления;
- получение экспериментальных данных об образовании электрон-дырочной плазмы высокой плотности в поверхностном слое полупроводников при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов с излучением в видимой и инфракрасной области спектра и интенсивностью, приводящей к плавлению и абляции поверхностного слоя.
Научная новизна работы
1. Для исследований электрон-дырочной плазмы в кремнии и арсениде галлия разработан и создан усилитель мощности инфракрасных фемтосекундных импульсов для тераваттной хром-форстеритовой лазерной системы, не имеющей аналогов в России и за рубежом.
2. Впервые для исследований образования и релаксации электрон-дырочной плазмы высокой плотности в широкозонных полупроводниках использованы инфракрасные фемтосекундные лазерные импульсы, для которых полупроводники Si и GaAs являются практически прозрачными.
3. Получены новые экспериментальные данные об особенностях релаксации носителей в электрон-дырочной плазме при плотности энергии ниже порога плавления.
4. Экспериментально показано формирование тонкого поглощающего слоя при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов как инфракрасного, так и видимого диапазонов спектра излучения на кремний и арсенид галлия при интенсивностях, приводящих к плавлению и абляции поверхностного слоя.
Практическая ценность
Исследованные в диссертационной работе процессы взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с веществом расширяют представления о сверхбыстрых процессах в полупроводниках в условиях образования электрон-дырочной плазмы и могут найти применение для разработки технологий обработки и упрочнения поверхностного слоя образцов, изготовления сверхмалых отверстий, прецизионной микрообработки материалов.
Защищаемые положения
1. Для проведения исследований электрон-дырочной плазмы с высокой концентрацией носителей разработан усилитель инфракрасных фемтосекундных импульсов для хром-форстеритовой лазерной системы, позволивший получить тераваттный уровень мощности излучения.
2. Релаксация электрон-дырочной плазмы, созданной при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов на кремний и арсенид галлия, при интенсивностях ниже порога плавления определяется процессом Оже-рекомбинации с характерными временами несколько пикосекунд.
3. Пороговые значения плотности энергии, при которой происходит плавление поверхностного слоя кремния и арсенида галлия, практически одинаковы при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов с энергией кванта больше и меньше ширины запрещенной зоны полупроводников. Аналогичные результаты получены для пороговых значений плотности энергии, при которой происходит абляция поверхностного слоя.
4. При воздействии излучения фемтосекундных лазерных импульсов на кремний и арсенид галлия с энергией кванта как больше, так и меньше ширины запрещенной зоны полупроводников электрон-дырочная плазма с высокой концентрацией носителей возникает в результате уменьшения глубины пробега фотона (до ~10 нм в кремнии и до ~40 нм в арсениде галлия) при пороговых интенсивностях плавления и абляции поверхностного слоя и поглощения лазерного излучения электронами в зоне проводимости.
Апробация работы и публикации
Основные результаты исследований, представленные в диссертации, докладывались на следующих научных конференциях: XI Международная конференция "Оптика лазеров-2003", Санкт-Петербург 2003, 2 Научно-координационное совещание "Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах" Абхазия, Н.Афон, 2004, The XXVIII ECLIM (28th European Conference on Laser Interaction with Matter), Italy, Roma, September 6-10, 2004, Физика экстремальных состояний вещества, Черноголовка-2005, 3 Научно-координационное совещание "Проблемы физики ультракоротких процессов в сильнонеравновесных средах" Абхазия, Н.Афон-2005, International symposium, “Topical problems of nonlinear wave physics”, Russia, Nizny Novgorod, NWP-2005. Также опубликованы 4 работы в реферируемых изданиях и оформлен 1 патент.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения. Работа изложена на 112 страницах, включает 54 рисунка и список литературы (общее число ссылок 98).
