Содержание к диссертации
УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
Глава 1. ЭФФЕКТ ОПТИЧЕСКОГО ВЫПРЯМЛЕНИЯ И ЕГО
ПРИМЕНЕНИЯ (ОБЗОР) 14
Теоретические основы эффекта оптического выпрямления 14
Характерные особенности ЭОВ 16
Применения эффекта оптического выпрямления 21
Измеритель мощности 21
Генератор сверхкоротких электрических импульсов 23
Генерация терагерцового излучения 24
ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ 31
Наносекундные источники лазерного излучения в различных областях оптического спектра 31
Оптический микроскоп "Neophot 32", сопряженный с
цифровой фотокамерой 37
Краткое описание микроскопа "Neophot 32 " 38
Сопряжение микроскопа с цифровой фотокамерой 38
2.3. Модернизация эллипсометра ЛЭФ - ЗМ для исследования
диффузно рассеянного света 42
Устройство и работа эллипсометра 42
Модернизация эллипсометра 45
ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЩНОГО
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С НАНОГРАФИТНЫМИ ПЛЕНКАМИ 48
Свойства и состав нанографитных пленок 48
Определение порога лазерного разрушения нанографитных пленок...52
Особенности лазерной обработки нанографитных пленок 59
Анизотропное лазерное испарение нанографитных пленок 60
Модель анизотропной абляции 68
ГЛАВА 4. НАБЛЮДЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА ОПТИЧЕСКОГО ВЬІПРЯМЛЕНРЇЯ В НАНОГРАФИТНЫХ ПЛЕНКАХ....75
4.1. Экспериментальное наблюдение ЭОВ 75
Формы импульсов 78
Зависимости от ориентации нанаграфитной пленки 81
Зависимости от мощности лазерного излучения 84
Исследование спектральной зависимости ЭОВ 85
Влияние толщины нанографитной пленки на ЭОВ 90
Теоретическое рассмотрение ЭОВ в нанографитных пленках 96
ГЛАВА 5. БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ФОТОПРИЕМНИК МОЩНОГО
ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЭОВ 103
5.1. Конструкция быстродействующего фотоприемника мощного
лазерного излучения 103
5.2. Исследование основных характеристик фотоприемника на ЭОВ 105
Быстродействие фотоприемника ....105
Исследование влияния размерного фактора на чувствительность фотоприемника 106
Влияние межэлектродного расстояния 108
Влияние длины электродов 108
Влияние ширины пленки 110
Локальная чувствительность 113
Сравнительное исследование фотоприемников из нанографитной пленки и кремниевой пластины 116
Качественная модель нанографитного фотоприемника 117
5.3. Возможные применения нанографитного приемника на основе ЭОВ 119
Регистрация формы импульсов лазерного излучения 119
Генератор сверхкоротких электрических импульсов 120
Датчик углового положения 120
Навигационная система 126
*
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 129
ЛИТЕРАТУРА 131
ПРИЛОЖЕНИЯ 145
5 УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ
ЭОВ - эффект оптического выпрямления
ФЭ - фотоэлемент (вакуумный фотодиод)
ВКР - вынужденное комбинационное рассеяние
ПЗС - прибор с зарядовой связью
ЦФК - цифровая фотокамера
ПК - персональный компьютер
ППС - поверхностная периодическая структура
ФП - фотоприемник
ДП - двулучепреломляющая призма
ПЛЗ - пассивный лазерный затвор
АЭ - активный элемент
ИЭН - импульсное электрическое напряжение
РЭМ - растровый электронный микроскоп
АСМ - атомно-силовой микроскоп
ИК - инфракрасный
УФ - ультрафиолетовый
ФЭУ - фотоэлектронный умножитель
Введение к работе
Диссертационная работа посвящена разработке оптоэлектронных устройств на основе исследований оптических и нелинейно-оптических свойств нового нанографитного пленочного материала с использованием наносекундных источников мощного лазерного излучения.
Объектом исследования являются нанографитные пленки, выращенные методом плазмохимического осаждения из смеси метана и водорода.
Предметом исследования являются методы и средства лазерной обработки материалов мощным лазерным излучением наносекундной длительности.
Актуальность темы. Приборостроение постоянно нуждается в пополнении элементной базы для создания более совершенных устройств. Поэтому одним из самых важных этапов технологии приборостроения является изыскание и внедрение новых материалов. В связи с этим в последние годы наблюдается растущий интерес к изучению оптических и нелинейно-оптических свойств наноуглеродных материалов. Известно, что углеродные нанотрубки используются в качестве холодных катодов для создания плоских панельных дисплеев, в осветительных приборах и для разработки малогабаритных источников рентгеновского излучения. Растворы различных форм наноуглеродных материалов проявляют нелинейно-оптические свойства и могут являться оптическими переключателями и ограничителями лазерного излучения (лимитерами).
Нелинейно-оптические свойства могут проявлять не только взвеси углеродных нанотрубок в растворах, но и их пленочные структуры на различных подложках. Технологии изготовления углеродных пленок довольно хорошо изучены и применяются для получения различных пленок, в том числе и нанографитных. Обычно наноуглеродные пленки представляют интерес как холодные катоды, обладающие аномально низким пороговым значением напряженности электрического поля, вызывающего
7 туннелирование электронов с поверхности в вакуум [1-4]. Однако особенности взаимодействия мощного лазерного излучения с такими пленками до последнего времени не были изучены. Для технологии оптоэлектронного приборостроения представляет интерес изыскание наноуглеродных материалов, обладающих нелинейно-оптическими свойствами. Одним из интересных нелинейно-оптических эффектов для оптоэлектроники с применением углеродных материалов является эффект оптического выпрямления (ЭОВ).
ЭОВ является примером нелинейного взаимодействия мощного лазерного излучения со средой и обычно наблюдается в нелинейно-оптических кристаллах. Этот эффект проявляется при прохождении мощного лазерного импульса через нелинейно-оптический кристалл. В результате в кристалле возникает электрическая поляризация, изменяющаяся во времени пропорционально огибающей мощности лазерного импульса. Если на торцах нелинейно-оптического кристалла имеются металлические электроды, то поляризация приводит к появлению между электродами импульсного напряжения, временная форма которого повторяет форму лазерного импульса. Время релаксации электронной поляризуемости, ответственной за ЭОВ имеет порядок около 10"15 с. Из этого вытекает возможность применения указанного эффекта для создания генераторов сверхкоротких импульсов для целей микроэлектроники, быстродействующих фотопреобразователей для регистрации формы лазерных импульсов и т.д.
Обычно для регистрации сверхкоротких световых импульсов используются приемники излучения на основе внешнего и внутреннего фотоэффектов. Из приемников, основанных на внешнем фотоэффекте, используются вакуумные фотодиоды, т.е. фотоэлементы (ФЭ). Быстродействие ФЭ ограничено разбросом времен пролета фотоэлектронов от катода к аноду и переходными процессами в контуре фотоэлемент-нагрузка. Коаксиальные ФЭ, например, имеют время нарастания переходной характеристики порядка 10"юс. Наряду с относительно большими
8 габаритными размерами одним из основных недостатков коаксиальных ФЭ является необходимость подачи на них высокого напряжения около (0.1-1) кВ.
Полупроводниковые приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта, такие как, pin и лавинные фотодиоды имеют малые размеры (размер светоприемной части около 1 мм ), работают при невысоких уровнях постоянного напряжения и обеспечивают время нарастания переходной
О Q
характеристики (10" - 10") с. Одним из основных недостатков лавинных фотодиодов является требование поддержания рабочего напряжения с высокой точностью.
Временное разрешение датчиков, основанных на ЭОВ, во много раз превосходит быстродействие существующих в настоящее время фотоприемников. За счет этого эффекта возможно прямое преобразование мощности сверхкороткого лазерного импульса в импульс электрического напряжения, повторяющий форму лазерного импульса. Это позволяет использовать ЭОВ в приборах для измерения длительности импульсов мощного лазерного излучения. Сверхкороткие электрические импульсы, полученные с помощью ЭОВ, могут быть применены в скоростной цифровой технике. Линейный характер зависимости амплитуды сигнала ЭОВ от мощности лазерного излучения позволяет создавать измерители мощности лазерного излучения.
Основным препятствием широкого использования ЭОВ в оптоэлектронных приборах является низкий коэффициент преобразования лазерной мощности в амплитуду импульса электрического напряжения известными нелинейно-оптическими кристаллами. Тем не менее, ЭОВ в настоящее время используется для генерации излучения терагерцового диапазона, находящего применения в медицине, молекулярной спектроскопии, для построения изображений скрытых объектов и.т.д.
В связи с этим, актуален поиск и исследование новых материалов, обладающих повышенным коэффициентом преобразования лазерной
мощности в амплитуду импульса электрического напряжения при ЭОВ. Это
позволит разработать оптоэлектронные приборы с лучшими
характеристиками, работающих на новых физических принципах, для
различных задач технологии приборостроения.
Ф Цель работы - разработка новых типов оптоэлектронных устройств на
основе исследований оптических и нелинейно-оптических явлений, возникающих при взаимодействии мощного лазерного излучения с нанографитными пленками.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Наблюдение и исследование эффекта оптического выпрямления в
нанографитных пленках.
2. Разработка быстродействующего фотоприемника мощного
^ лазерного излучения из нанографитной пленки на основе эффекта
оптического выпрямления и определение его основных
g характеристик.
3. Определение порога лазерного разрушения нанографитных пленок.
4. Исследование морфологии поверхности шероховатых
нанографитных пленок после воздействия мощным лазерным
излучением.
Методы исследования. В диссертации использован комплексный метод, включающий экспериментальные исследования и теоретическое обоснование полученных результатов. Работа выполнялась с применением физического моделирования, в теоретических исследованиях использовались теоретические основы взаимодействия лазерного излучения со средой и принципы нелинейной оптики. В экспериментальных исследованиях применялись теория измерения физических величин, статистические методы обработки результатов исследования, а так же методы научного эксперимента.
Достоверность результатов исследований и работоспособность
ЩИ созданных устройств подтверждена в широкомасштабной серии физических
10 экспериментов. Обоснование теоретических утверждений выполнено с опорой на известные физические методы. Анализ экспериментальных данных проведен с соблюдением критериев достоверности статистических испытаний и физических измерений.
Научная новизна диссертационного исследования состоит в том, что в нем:
1. Обнаружен ЭОВ в нанографитных пленках, возникающий на
квадрупольном вкладе квадратичной по полю статической поляризации
нелинейной среды нанографитного материала.
Показано, что при толщине нанографитной пленки в пределах (2-2.5) мкм наблюдается максимальная амплитуда сигнала ЭОВ.
Установлено, что амплитуда сигнала ЭОВ в нанографитной пленке в диапазоне длин волн (266-1900) нм возрастает обратно пропорционально длине волны.
Разработан быстродействующий широкополосный фотоприемник мощного лазерного излучения, работающий на ЭОВ в нанографитной пленке. Фотоприемник функционирует без внешнего источника питания и схем усиления импульсов, обеспечивает регистрацию лазерных импульсов в широком спектральном диапазоне от 266 нм до 5000 нм с быстродействием менее 0.5 не, а его чувствительность на длине волны 1000 нм составляет 500 мВ/МВт.
Показано, что воздействие мощного линейно-поляризованного лазерного излучения на нанографитные пленки сопровождается возникновением в них пространственно-ориентированных структур. Ориентация структур, определяемая поляризацией лазерного излучения, связана с анизотропной абляцией нанографитного материала пленки, обусловленной поляризационной зависимостью коэффициентов поглощения и отражения света для непрозрачной шероховатой поверхности.
Практическая ценность работы состоит в том, что разработанный широкополосный быстродействующий фотоприемник мощного лазерного
излучения из нового нанографитного материала может быть использован для измерения энергетических параметров импульсного лазерного излучения и изготовления датчиков пространственного расположения объектов, работающих на новом физическом принципе.
Работа выполнялась при поддержке INTAS (проект № 01-0254), РФФИ (проект № 04-02-96011) и «Фонда содействия отечественной науке».
Положения, выносимые на защиту
При наносекундном импульсном лазерном облучении проводящих нанографитных пленок, полученных методом плазмохимического осаждения на кремниевых подложках, возникает электрический импульс ЭОВ, форма которого повторяет форму лазерного импульса, а амплитуда существенно зависит от пространственной ориентации нанографитной пленки и поляризации лазерного излучения.
При облучении нанографитных пленок толщиной более 2 мкм оптическим излучением на длине волны 1064 нм импульс ЭОВ наблюдается при полном отсутствии фотоэлектрического сигнала, возникающего от кремниевой подложки. Максимальная амплитуда сигнала ЭОВ достигается при толщине нанографитной пленки в пределах (2-2.5) мкм.
3. Разработанный быстродействующий фотоприемник мощного
лазерного излучения, состоящий из нанографитной пленки и двух
параллельных электродов, расположенных на его поверхности, обеспечивает
регистрацию наносекундных лазерных импульсов в широком спектральном
диапазоне от 266 до 5000 нм с быстродействием менее 0.5 не. Максимальная
чувствительность фотоприемника достигается при размерах
светочувствительной пленки, близкой к диаметру пучка лазера.
4. Импульсная лазерная обработка нанографитных пленок линейно-
поляризованным излучением с плотностью мощности более 18 МВт/см
сопровождается анизотропной абляцией поверхности пленки, наблюдаемой в
индикатрисе диффузно рассеянного на поверхности пленок излучения
маломощного источника света.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на X International Conference "Laser - assisted Micro and Nanotechnologies" (Россия, Санкт-Петербург, 2003); VI Российской университетско-академической научно-практической конференции (Россия, Ижевск, 2004); Конференции молодых ученых КоМУ-2004 (Россия, Ижевск, 2004); Conference on Lasers and Electro-Optics/International Quantum Electronics Conference (San Francisco, California, USA, 2004); XXXVIII annual conference of the Finnish Physical Society (Oulu, Finland, 2004); IXIth international winterschool euroconference on electronic properties of novel materials/Molecular nanostructures (Kirchberg/Tirol, Austria, 2005); Школе-семинаре "Наноматериалы, нанотехнологии" КоМУ-2005 (Россия, Ижевск, 2005); International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Россия, Санкт-Петербург, 2005).
Публикации. Материалы диссертационной работы полностью отражены в научных изданиях. Общее число публикаций - 20, в том числе: положительное решение на выдачу патента РФ на изобретение, статьи в рецензируемых журналах - 10, тезисы докладов конференций - 9.
Личный вклад. Результаты, изложенные в диссертации, получены лично соискателем. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов экспериментов выполнены совместно соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, включающего 147 источников. Работа изложена на 146 страницах, содержит 58 рисунков и 2 таблицы.
Автор искренне признателен научному руководителю Г.М. Михееву за неоценимую помощь, руководство и научное воспитание на протяжении долгих лет совместной работы, а так же за обсуждение ключевых моментов нелинейной оптики и откровенность в вопросах современной науки.
Автор выражает особую благодарность Т.Н. Могилевой за всестороннюю помощь, оказанную при выполнении диссертационной работы.
Также автор благодарен В.Я. Когаю и А.Е. Муравьеву за техническую помощь, оказанную при выполнении данной работы.
Работа выполнена при поддержке «Фонда содействия отечественной науке», INTAS (проект № 01-0254) и РФФИ (проект № 04-02-96011).
