Особливості процесів утворення іонізованих компонент лазерної плазми під дією на поверхню випромінювання ексимерного лазера та лазера на парах міді

Размещено на http://www.allbest.ru/

УЖГОРОДСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ХОМ'ЯК БОГДАН ЯРОСЛАВОВИЧ

Індекс УДК 533. 95 621. 373. 826

ОСОБЛИВОСТІ ПРОЦЕСІВ УТВОРЕННЯ ІОНІЗОВАНИХ КОМПОНЕНТ ЛАЗЕРНОЇ ПЛАЗМИ ПІД ДІЄЮ НА ПОВЕРХНЮ ВИПРОМІНЮВАННЯ ЕКСИМЕРНОГО ЛАЗЕРА ТА ЛАЗЕРА НА ПАРАХ МІДІ

01. 04. 04 - фізична електроніка

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Ужгород - 1999

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Ужгородському державному університеті Міністерства освіти України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, ст. н. с. Опачко Іван Іванович Ужгородський державний університет, професор кафедри електронних систем.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Шафраньош Іван Іванович Ужгородський державний університет, професор кафедри квантової електроніки доктор фізико-математичних наук, ст. н. с. Кельман Володимир Андрійович Інститут електронної фізики НАН України, завідувач відділу квантової електроніки.

Провідна установа: Інститут фізики НАН України, відділ газової електроніки, м. Київ.

іонна емісія лазерне випромінювання

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Поява лазерів здатних забезпечити отримання густин потужності випромінювання 107 1011 Вт/см2 привела до широкого їх використання в технологіях обробки поверхні, для напилення плівок, для лазерної мас-спектрометрії, в наукових дослідженнях в т. ч. для розігріву речовини до термоядерних температур. Історично склалося, що більш детально була досліджена взаємодія з поверхнею лазерного випромінювання ІЧ діапазону і менше уваги було приділено дії на поверхню випромінювання лазерів видимого і УФ діапазонів. Різноманітність і багатогранність процесів, що протікають у плазмі, утвореній на поверхні випромінюванням цих лазерів викликають підвищений інтерес до їх вивчення. Поява лазерів на самообмежених переходах і ефективних ексимерних лазерів поклали початок їх широкому застосуванню в наукових і технологічних експериментах.

Унікальні особливості випромінювання лазерів на самообмежених переходах і, зокрема, лазера на парах міді (ЛПМ), такі як: високий коефіцієнт однопрохідного підсилення (~104), висока імпульсна густина потужності (1011 Вт/см2) і висока частота слідування імпульсів (~10 кГц) сприяють використанню їх як для наукових (вивчення параметрів лазерної плазми) так і для практичних потреб, зокрема в лазерній мас-спектрометрії поверхні, і відкривають можливості для створення аналітичного приладу нового покоління: лазерного мас-спектрометра - проекційного мікроскопа. Такий прилад дає змогу проводити мас-спектрометричний аналіз і одночасно візуалізувати на екрані із збільшенням ~104 область пробовідбору. При цьому можливе використання замість ЛПМ будь-якого іншого лазера на самообмежених переходах.

Взаємодія з поверхнею УФ випромінювання ексимерних лазерів, має свої особливості, оскільки з переходом в діапазон коротких хвиль пропорційно 3 зменшується оптична товщина лазерного факела і значно зростає коефіцієнт поглинання випромінюванння поверхнею. Це приводить до зростання ефективності випаровування опромінюваного матеріалу, значної активізації процесів збудження, іонізації і трансформації енергії лазерно-го випромінювання в ударні хвилі. Вищезгадані ефекти вносять свої особливості у фізику взаємодії лазерного випромінювання з поверхнею, а також технологічне і аналітичне застосування компонент лазерної плазми.

Можливості застосування ексимернних лазерів та лазерів на самообмежених переходах далеко не вичерпуються вищесказаним.

Враховуючи вищесказане актуальність роботи викликана необхідністю отримання нової інформації про фізику процесів, що протікають у плазмі, створеній на поверхні імпульсним та імпульсно-періодичним лазерним випромінюванням видимого та УФ діапазонів і створення умов для більш ефективного використання цих лазерів в наукових експериментах і технології.

Метою роботи є дослідження процесів утворення іонізованих компонент плазми, що виникають під дією на поверхню елементарних та складних мішеней імпульсно-періодичного лазерного випромінювання видимого та УФ діапазонів спектру густиною потужності 5107 51011 Вт/см2.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що:

- для швидкісної реєстрації відбивних властивостей опромінюваної мішені застосований активний елемент ЛПМ;

- виявлена кореляція між динамікою іонної емісії та зміною в часі відбивних властивостей області резонансної взаємодії лазерного випромінювання (308 нм) з поверхнею алюмінію;

- виявлені складні кластерні іони вуглецю, зумовлені ударними процесами на поверхні;

- виявлені нелінійні ефекти самофокусування випромінювання ЛПМ в лазерній плазмі, пов'язані з виникненням стійких просторових структур у фокальній плямі.

Практична цінність роботи.

1. Здійснене застосування лазерів УФ діапазону для пошарового мас-спектрометрич-ного аналізу з роздільною здатністю по глибині ~0, 01 мкм.

2. Запропонована методика збільшення чутливості лазерної мас-спектрометрії в 5 10 разів за допомогою резонансно-поглинаючої присадки до поверхні.

3. Реалізоване застосування імпульсно-періодичного випромінювання лазерів на самообмежених переходах для мас-спектрометрії.

4. У вигляді лабораторного макета реалізовано аналітичний прилад нового покоління - лазерний мас-спектрометр - проекційний мікроскоп.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: Європейській конференції взаємодії лазерного випромінювання з матерією: 21ECLIM-91б Варшава, 1991 р., V Інтернаціональному симпозиумі по фізиці іонізованого газу, Дубровник, Югославія 1990 р., XXVII Міжнародному колоквіумі з спектроскопії, Берген, Норвегія, 1991 р., III міжреспубліканському семінарі з фізики швидкоплинних процесів, Гродно, Беларусь, 1992 р., Супутній до 16-ї Міжнародної конференції з оптики, Печ, Угорщина, 1993 р., Національній конференції з фізики, Сібіу, Румунія, 1994 р., Міжнародній науковій конференції присвяченій 150-річчю від дня народження видатного українського фізика і електротехніка Івана Пулюя, Львів, Україна, 1995 р., XX-ій Міжнародній конференції з квантової електроніки IQEC`96, Сідней, 1996 р.

Публікації. Основні результати, викладені в дисертації, опубліковані в 19 друкованих працях, список яких приведено в кінці автореферату.

Структура та об'єм дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаних джерел з 89 найменувань. Робота викладена на 128 сторінках (включаючи рисунки, таблиці та список використаних джерел), містить 22 рисунки та 2 таблиці.

Особистий внесок полягає в тому, що

- автор приймав безпосередню участь у створенні експериментального комплекса;

- автор разом із співавторами брав участь у постановці і виконанні всіх експериментів, їх обробці та обговоренні;

- автором сформульовані положення, що виносяться на захист.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі сформульована мета роботи, обгрунтована актуальність теми досліджень, приведені основні положення, які виносяться на захист, визначена наукова новизна і практична цінність отриманих результатів, подана інформація про особистий внесок автора, апробацію та дана коротка анотація дисертаційної роботи.

Перший розділ присвячено теоретичному обгрунтуванню найважливіших процесів, що проходять при дії на поверхню лазерного випромінювання густиною потужності 5107 1011 Вт/см2. Розглянуті загальні особливості нагрівання поверхні речовини лазерним випромінюванням. Описані та проаналізовані механізми поглинання лазерного випромінювання поверхнею і розльоту компонент лазерної плазми. Проаналізовані процеси, що приводять до генерації ударних хвиль в конденсованих середовищах і емісії заряджених частинок під дією на поверхню лазерного випромінювання густиною потужності q = 108 1011 Вт/см2. Розглянуто вплив процесів багатофотонної іонізації та іонізації при резонансному поглинанні лазерного випромінювання парою на емісію заряджених і нейтральних частинок. Результати, приведені в розділі, були використані для інтерпретації та обгрунтування отриманих експериментальних даних.

У другому розділі приведений опис експериментального комплексу, що у відповідності з метою роботи був створений для проведення систематичних досліджень взаємодії лазерного випромінювання з поверхнею. Комплекс включав:

1) ексимерний електророзрядний XeCl - лазер (308 нм, E = 0, 05 0, 25 Дж, л = 20 50 нс, fповт = 5 25 Гц) ;

2) ЛПМ з підсилювачем (510, 6; 578, 2 нм, E = 1 3 мДж, л = 20 нс, fповт = 5 8 кГц) ;

3) вакуумну камеру взаємодії лазерного випромінювання з поверхнею;

4) часово-пролітні мас-спектрометри, з зондами для реєстрації іонних та нейтральних компонент;

5) імпульсну систему реєстрації сигналів з виходом на пристрій статистичного накоплення сигналу з виходом на ЕОМ.

Вперше запропонований і реалізований квантовий підсилювач яскравості (КПЯ), створений на базі активного елемента ЛПМ, що дає змогу досліджувати область і динаміку дії лазерного випромінювання на поверхню із збільшенням по яскравості в ~104 разів і часовою роздільною здатністю ~25 нс.

При створенні експериментального комплексу велика увага приділялася підвищенню роздільної здатності системи: мас-спектрометр - електростатичний аналізатор. В результаті за допомогою модифікації поля електростатичного селектора було реалізовано спосіб покращення роздільної сили часово-пролітного мас-спектрометра. При цьому покращується роздільна здатність селектора по енергіях, що суттєво при дослідженні тонкої структури енергетичних спектрів.

У третьому розділі представлено результати досліджень процесів резонансної та нерезонансної дії випромінювання ексимерного XeCl-лазера на поверхню. Передусім для проведення експериментів нами був проведений ряд досліджень по вдосконаленню параметрів розробленого газорозрядного імпульсно-періодичного ексимерного XeCl - лазера, а саме по підвищенню його енергетичних і ресурсних характеристик. Визначено, що при застосуванні як галогеноносія хлориду бору (BCl3) енергія імпульсу збільшується на 20% а ресурс - на 50% в порівнянні з цими ж характеристиками у випадку традиційно застосовуваного хлористого водню HCl. Дослідженням впливу типу галогеноносія на ефективність роботи лазера передувала лазерна мас-спектрометрична діагностика робочих сумішей і стану внутрішньої поверхні активного елементу. Зниження температури робочої суміші з 16 20 С до 0 2 С приводить до збільшення вихідної енергії лазера в 2 рази, а ресурс роботи при цьому досягає ~106 імпульсів.

Досліджено, що причинами покращення характеристик лазера є великі константи швидкостей утворення від'ємного іону Cl- в сумішах BCl3, швидке напрацювання нелетких продуктів в реакціях BCl3 з домішками, а також осадження (виморожування) аерозолей на теплообміннику і, як наслідок, видалення їх з газового контура. Мас-спектрометричний аналіз осаджених компонент показав, що вони в основному складаються з металів та продуктів взаємодії HCl з матеріалами, що застосовуються в камері активного елементу.

В результаті був створений малогабаритний ексимерний лазер з вихідними параметрами випромінювання: 308 нм, E = 0, 25 Дж, л = 20 50 нс, який давав можливість отримувати значення густини потужності сфокусованого лазерного випромінювання q 3107 51010 Вт/см2.

Умови резонансного поглинання лазерного випромінювання компонентами лазерної плазми реалізовуються при дії випромінювання ексимерного XeCl-лазера з довжиною хвилі 308 нм, близької до довжини хвилі переходу в атомі алюмінію 3P1/2 -3D3/2 (308, 2 нм). Чисельні розрахунки кінетики атомної пари під дією лазерного випромінювання в такому випадку дають двохгорбий характер концентрації електронів і атомів лазерної плазми. Дослідження даного ефекту може внести ясність у фізику процесів при дії лазерного випромінювання помірної густини на мішені, виявити принципові обмеження роздільної здатності часово-пролітної лазерної мас-спектрометрії, а також сприяти отриманню додаткової інформації про склад поверхні твердого тіла. Крім того, зменшення довжии хвилі нагріваючого випромінювання приводить до зростання ~1/3 його коефіцієнта трансформації в енергію ударних хвиль.

Експерименти проводились на установці, опис якої приведено у другому розділі. Як мішені були вибрані спектрально чистий графіт та алюміній (99, 999%). Основними причинами вибору саме таких мішеней є те, що для цих матеріалів близькі критичні густини потужності, що відповідають початкові інтенсивного випаровування (q (1 2) 107 Вт/см2) і, крім того, для AlI на переході 3P1/2 -3D3/2 можливе резонансне поглинання лазерного випромінювання.

В мас-спектрах іонної емісії з поверхні графіту присутні молекулярні іони Сn+ (n = 2 60), часові затримки емісії яких по відношенню до лазерного імпульсу досягають значень 300 400 нс і свідчать про відповідальність ударних процесів в мішені за їх емісію.

Завдяки контрольним експериментам і застосуванню мас- спектрометричного комплексу з роздільною здатністю R 500 виявлений двохгорбий характер іонної емісії Al+, С5+, С6+.

На відміну від графітової мішені «двохгорбість» емісії Al+ викликана сильним радіаційним нагрівом поверхні плазмовим згустком, відповідальним за другий пік (менший за перший), ефект посилюється внаслідок резонансного поглинання Al лазерного випромінювання з 308 нм. Підтвердженням резонансного поглинання є збільшення виходу матричних іонів при добавці в неалюмінієву мішень алюмінієвої присадки, а також різні часові залежності відбивної здатності фокальної плями для алюмінієвої та графітової мішеней.

Для більш детального вияснення вкладу ударних процесів у формування мас- та енергетичних спектрів емітованих компонент крім масивних мішеней використовувались також тонкоплівкові мішені, які опромінювались як з фронтального так і з тильного боку. Відсутність часової структури в емісії Al+ при опроміненні з тильної сторони пояснюється тим, що внаслідок низької температуропровідності підкладки випаровується спочатку плівка по всій товщині, а далі можливий радіаційний підігрів з боку Al плазми діє тільки на підкладку, викликаючи емісію Si+, O+, H+. Це є додатковим підтвердженням ролі ударних хвиль в емісії компонент.

Очевидно «багатогорба» структура емісії Сn+ зумовлена ударними процесами, викликаними хвилею розвантаження в мішені під дією плазми, що розширюється. Підтвердженням цього є слідуючі факти:

а) двохгорбість емісії С5+, С6+ з інтервалом 300 400 нс, який згідно не можна пояснити пічковим характером іонної емісії;

б) відсутність двохгорбого характеру в емісії С+, С2+;

в) пороговий характер виникнення двохгорбості (поріг виникнення ударної хвилі) q > 5108 Вт/см2;.

г) різке зменшення емісії С5+, С6+, С60+ при опроміненні тонкої плівки як з тильної так з фронтальної сторони (ударна хвиля після випаровування плівки по всій товщині виходить в очищену підкладку.

При опроміненні масивних мішеней і товстих плівок з фронту при q > 108 Вт/см2 енергії нейтральних компонент ~10 еВ в 5 10 разів нижчі іонних, що пояснюється прискоренням іонів у подвійному електричному шарі на границі згустка плазми.

Використання для мас-спектрометричного аналізу складу поверхні лазерного випромінювання УФ діапазону має свої переваги, оскільки в цьому випадку можливо реалізувати режим, в якому відсутній небажаний ефект «вибухового» випаровування, що особливо важливо при аналізі тонких плівок поверхневого шару в діапазоні товщин l 0, 1 мкм. При цьому для випромінювання XeCl-лазера (308 нм) густиною потужності q = (1 5) 107 Вт/см2 товщина шару мішені, який екстрагується за імпульс, становить 0, 01 0, 02 мкм, а низькі енергії емітованих іонів (одиниці електронвольт) дають змогу відмовитись від енергоаналізатора і тим самим підвищити чутливість мас-спектрометрії в 102 разів. Середня степінь іонізації конденсату, що випаровується, в такому випадку на 1, 5 2 порядки перевищує степінь іонізації при опроміненні мішені випромінюванням ІЧ діапазону, що в поєднанні з низькими енергіями емітованих іонів дає змогу понизити концентраційну межу реєстрації домішок в 103 104 разів, довівши її до 10-8%.

Підвищення густини потужності лазерного випромінювання до q (1 3) 108 Вт/см2 приводить до початку вибухового випаровування, супроводжується різким збільшенням (в 10 20 разів) товщини випаровуваного за імпульс шару, а також енергій емітованих за імпульс іонів, що приводить до погіршення роздільної здатності лазерного мас-спектрометра при відсутності енергоаналізатора. Аналіз енергетичних спектрів емітованих із «забруднених» мішеней іонів, отриманих при q = 5108 Вт/см2 показав, що якщо при густинах потужності q = 3107 Вт/см2 максимальні значення енергій, наприклад для Al, складають ~2 еВ, то при q = 5108 Вт/см2 енергії іонів досягають десятків електронвольт.

При таких умовах опромінення разом з емісією додатніх іонів в мас-спектрах присутні від'ємні іони уворені внаслідок рекомбінаційних процесів у плазмі. Аналіз тривалості емісії цих компонент з допомогою аналізатора типу мас-рефлектрона дає значення тривалості ~100 нс, характерні для їх утворення в рекомбінуючій розльотній лазерній плазмі. Для алюмінієвої мішені енергії іонів Al+ в 2 рази перевищують енергії Al-, що вказує на вагомий внесок (50%) прискорення іонів Al+ електричним полем на межі плазмового згустку. Інші ( 50%) енергії додатніх і 100% енергії від'ємних іонів можуть бути набуті внаслідок газодинамічного та співударного механізмів в плазмі, що розширюється.

Таким чином дослідження резонансної і нерезонансної дії на мішень імпульсного лазерного випромінювання УФ діапазону дало можливість:

1. Застосувати квантовий підсилювач яскравості (КПЯ) на базі активного елемента лазера на парах міді для спостереження за областю дії лазерного випромінювання на поверхню з розділенням в часі ~25 нс.

2. Виявити складний механізм іонної емісії, викликаний радіаційним нагрівом мішені з боку плазмового згустку, а також ударними процесами в мішені.

3. Запропонувати застосувати іонну емісію під дією ударних хвиль як додаткове джерело інформації про міжатомні зв'язки в структурі поверхні.

4. Оцінити принципові обмеження роздільної здатності лазерного часовопролітного мас-спектрометра.

У четвертому розділі представлені дані перших експериментальних досліджень емісії іонів, утворених при взаємодії випромінювання ЛПМ з поверхнею твердого тіла. Експерименти проводились з метою вияснення фізики основних механізмів іонізації та вивчення особливостей іонної емісії, які залежать від умов фокусування випромінювання ЛПМ на поверхню. Результати досліджень відкривають можливості більш широкого і ефективного застосування лазерів на самообмежених переходах в парах металів, в т. ч. в лазерній мас-спектрометрії.

Для проведення експериментів використовувався ЛПМ з параметрами: 510, 6; 578, 2 нм; середня потужність P = 16 Вт; частота слідування імпульсів fповт = 8 10 кГц, тривалість на напіввисоті л = 20 нс, який давав можливість отримувати на мішені густину потужності випромінювання q 51011 Вт/см2.

На відміну від дії на мішень більш високоенергетичних лазерів (неодимового та ексимерного) імпульсно-періодичне випромінювання ЛПМ викликає емісію низькоенергетичних компонент, що дає можливість суттєво спростити конструкцію мас-спектрометра, відмовившись від електростатичного селектора. При дії випроміню-вання ЛПМ на поверхню характерні густини плазмового згустку на 3 4 порядки нижчі, ніж при застосуванні неодимового лазера. Внаслідок цього ефект дебаївського екранування є незначним, що дає можливість ефективно діяти електричними полями на плазмовий згусток вже на початковій стадії розльоту.

Одночасно, високий коефіцієнт однопрохідного підсилення ЛПМ спричинює застосування його не тільки як інструмент для нагрівання та іонізації поверхні, але і в якості підсилювача яскравості, що дає змогу спостерігати за областю взаємодії випромінювання ЛПМ з поверхнею. При чому з початком застосування ЛПМ для іонізації поверхні з'явилась унікальна можливість сумістити в одному приладі лазерний мас-спектрометр та лазерний проекційний мікроскоп. Така система була створена і з її допомогою досліджувалясь іонна емісія з одночасною візуалізацією області та самого процесу пробовідбору. Застосовувались два активних елемента ЛПМ, один з яких випаровував та іонізував поверхню, а другий працював в режимі квантового підсилювача яскравості - швидкісного затвора з часовим розділенням 25 нс. При синхронному режимі роботи активних елементів ЛПМ є можливість візуалізувати деякі процеси, що відбуваються поблизу фокальноЇ площини фокусуючої лінзи. За допомогою створеної проекційної системи були проведені спостереження поверхні при t 10 мкс після дії нагріваючого лазерного випромінювання, оскільки утворена лазерна плазма стає практично прозорою з цього моменту часу. Скануючи затримку між імпульсами запуску нагріваючого і підсилюючого активних елементів проводилися спостереження поверхні мішені в міжімпульсний період, що дало можливість дослідити динаміку релаксації температури в цей період часу.

При збільшенні частоти слідування імпульсів випромінювання ЛПМ з постійною енергією починаючи з певної частоти відносний вихід іонів збільшується у 1, 5 2, 0 рази. При цьому синхронне спостереження процесу плазмоутворення в лазерний проекційний мікроскоп виявляє появу ниток самофокусування з підвищеною електронною температурою Te 10 12 еВ та концентрацією ne 51019 см-3. Такий ефект зв'язаний з встановленням локальних неоднорідностей температури поверхні, що самопідтримуються в міжімпульсний період, починаючи з деякої середньої температури, яка визначається частотою слідування імпульсів.

Цікавий ефект спостерігається при тривалій (~106 імпульсів) дії гостро сфокусованого на поверхню випромінювання ЛПМ з густиною потужності 1010 1011 Вт/см2. Характерною особливістю експериментів є те, що сфокусоване випромінювання попадає в одну і ту ж точку мішені. Наслідком цього є: а) утворення на мішені з плином часу (105 106 імпульсів) воронки; б) підтримування високої температури опромінюваної ділянки мішені в міжімпульсний період. Імпульсно-періодична дія характеризується тим, що в утвореній воронці в міжімпульсний період підтримується висока середня температура (2000 3500 С), яка залежить від середньої потужності (частоти слідування) імпульсів. В цей період з воронки постійно емітується потік частинок, концентрація яких визначається температурою стінок. Як показують оцінки при таких температурах перед приходом слідуючого лазерного імпульса концентрація випарених частинок у воронці для вуглецю та кремнію досягає (1 5) 1016 см-3. Цей же ефект має місце, коли перетяжка каустики лінзи знаходиться перед поверхнею плоскої мішені і потік випарених в міжімпульсний період компонент перетинає область з максимальною інтенсивністю випромінювання. При таких концентраціях можлива поява суттєвого вкладу процесів багатофотонної іонізації у загальну кількість іонів. Оцінки показують, що при no = 1016 1017 см-3, починаючи з густин потоку q = 1010 Вт/см2 додатковий вклад іонів, викликаний багатофотонною іонізацією, складає Ni = 108 109, порядок величини яких порівняний з кількістю іонів, утворених плазмовими процесами.

Підтвердженням цього є степенева залежність кількості іонів, утворених за імпульс, від густини потоку з показником степеня k, що відповідає числу необхідних для акту багатофотонної іонізації фотонів. Додатковим підтвердженням цього ефекту є порогова залежність багатофотонної добавки в іонний струм від частоти слідування імпульсів (і зв'язаною з нею температурою та концентрацією частинок) при постійній імпульсній потужності.

В подальших експериментах для вивчення динаміки іонної емісії з фокальної плями фокусуючої лінзи (об'єктива) застосовувався КПЯ, створений на базі незалежного від нагріваючого лазера активного елемента ЛПМ. Світлосила КПЯ давала змогу працювати навіть в режимі однократних імпульсів при проектуванні вихідного пучка, який несе зображення безпосередньо на плівку фотокамери. Завдяки цьому КПЯ міг синхронно працювати з будь-яким (наприклад ексимерним) нагріваючим лазером в режимі однократних імпульсів. Проведені експерименти дали змогу виявити чотири різні режими опромінення мішені, які характеризуються якісно різними мас-спектрами та формою імпульсів іонної емісії, що їм відповідає.

Вибуховий режим реалізується при неперервному переміщенні (обертанні) мішені і характеризується незначною затримкою 50 нс емісії по відношенню до лазерного імпульса, зумовленою самою динамікою утворення плазмового згустку та відсутністю емісії в міжімпульсний період.

Багатофотонний режим реалізується при досягненні температури поверхні в міжімпульсний період 3600K (контрольованої з допомогою КПЯ), зумовленої великою частотою слідування імпульсів. Наслідком цього є термоемісія нейтральних компонент в міжімпульсний період з їх багатофотонною іонізацією наступним лазерним імпульсом.

«Кумулятивний» режим реалізується коли випромінювання ЛПМ попадає у воронку, утворену дією 105 106 імпульсів. Спостерігається емісія кластерних іонів С2+; С3+; С4+; С5+; С6+; С60+ з запізненням по відношенню до лазерного імпульса на 100 150 нс, яке пояснюється інерційністю кумулятивних процесів. Цей режим можна здійснити також при фокусуванні однократного лазерного імпульса у воронку.

Перехідний - режим, в якому здійснюються два механізми іонізації: вибуховий, практично синхронний з лазерним імпульсом та термоемісія протягом 500 700 нс після закінчення лазерного імпульса. Тривалість термоімпульса корелює з релаксацією температури в міжімпульсний період.

Результати проведених експериментів показали, що застосування ЛПМ для цілей мас-спектрометрії дає змогу отримувати мас-спектри, які відображають склад як простих так і складних мішеней. При цьому запропонована та реалізована схема аналітичного приладу лазерний мас-спектрометр - проекційний мікроскоп.

У висновках сформульовані основні результати дисертації.

1. Для проведення систематичних експериментів створений лазерний мас-спектрометричний комплекс, який давав можливість досліджувати динаміку емісії компонент лазерної плазми, створеної дією на мішень лазерного випромінювання густиною потужності q = 5107 51011 Вт/см2.

2. У вигляді лабораторного макета нами реалізована схема аналітичного приладу: лазерний мас-спектрометр - проекційний мікроскоп.

3. З допомогою часовопролітного мас-спектрометра з часовим фокусуванням та квантового підсилювача яскравості (КПЯ), що працював в режимі швидкісного затвору, виявлено, що при дії випромінювання XeCl (308 нм) лазера на алюмінієву мішень внаслідок його резонансного поглинання щільним ядром плазми імпульс іонної емісії корелює в часі з коефіцієнтом відбивання області взаємодії і має два максимуми. Використання резонансно поглинаючої присадки до мішені дає можливість підвищити чутливість лазерної мас-спектрометрії.

4. Досліджено, що в результаті дії на поверхню лазерного випромінювання густиною потужності q 109 Вт/см2 механічна реакція плазмового згустку збуджує в мішені ударні хвилі, які в свою чергу викликають зміщену в часі на 300 400 нс по відношенню до лазерного імпульса емісію низькоенергетичних кластерів. Іонну емісію під дією ударних хвиль можна використати як додаткове джерело інформації про міжатомні зв'язки в структурі поверхні.

5. Виявлені нелінійні ефекти іонізації та самофокусування при дії імпульсно-періодичного випромінювання ЛПМ на поверхню, пов'язані з виникненням стійких просторових структур та досліджена їх кореляція з особливостями іонної емісії.

6. В результаті досліджень іонної емісії під дією на поверхню випромінювання ЛПМ класифіковані такі якісно різні режими іонізації: а) вибуховий; б) багатофотонний; в) «кумулятивний»; г) термоемісійний, зумовлені його часовими і енергетичними параметрами та умовами фокусування.

7. В результаті проведених досліджень запропонована методика збільшення чутливості лазерної мас-спектрометрії в 5 10 разів за допомогою резонансно-поглинаючої присадки.

8. Застосування для випаровування та іонізації поверхні XeCl-лазера дало можливість покращити роздільну здатність по глибині лазерної мас-спектрометрії до lн 0, 01 мкм, на відміну від lн = 0, 1 мкм, отриману при застосуванні ІЧ випромінювання неодимового лазера.

СПИСОК ПУБЛІКАЦІЙ АВТОРА З ТЕМИ ДИСЕРТАЦІЇ

1. А. Н. Малинин, Л. Л. Шимон, И. И. Опачко, В. М. Добош, Б. Я. Хомяк Повышение энергии излучения и ресурса работы малогабаритного газоразрядного импульсно-периодического эксимерного XeCl-лазера // Квантовая электроника. - 1994. - т. 21. - №12. - с. 1174-1176.

2. О. М. Малінін, Л. Л. Шимон, І. І. Опачко, В. М. Добош, Б. Я. Хомяк Фізико-хімічні можливості підвищення енергетичних та ресурсних характеристик малогабаритного газорозрядного імпульсно-періодич-ного ексимерного XeCl-лазера // УФЖ. - 1995. - т. 40. - №3. - с. 194-197.

3. Н. С. Белокриницкий, Л. Л. Шимон, А. Н. Малинин, И. И. Опачко, Б. В. Шкоба, В. В. Браславец, С. А. Евдокимов, В. М. Добош, Б. Я. Хомяк Диагностика газоразрядного импульсно-периодического малогабаритного XeCl-лазера с HCl и BCl3 галогенными донорами // Квантовая электроника. (Сборн. научных трудов АН Украины). - К: - 1993. - в. 45. - с. 30-37.

4. А. Н. Малинин, Л. Л. Шимон, И. И. Опачко, Н. С. Белокриницкий, Б. Я. Хомяк Влияние температуры окружающей среды на работу XeCl-лазера // Квантовая электроника. (Сборн. научных трудов АН Украины). - К: - 1994. - в. 46. - с. 104-106.

5. І. І. Опачко, Л. Л. Шимон, Б. Я. Хом'як Динаміка іонної емісії при резонансному і нерезонансному поглинанні лазерного випромінювання плазмою на поверхні твердого тіла // Журнал фізичних досліджень. - 1996. - т. 1. - №1. - с. 46-51.

6. Малинин А. Н., Опачко И. И., Шкоба Б. В., Фенчак В. А., Хомяк Б. Я. Характер ионной эмисси при воздействии импульсно-периодического излучения лазера на парах меди на простые и сложные мишени // Научно-техн. сб. : «Метролог. обесп. производства и контр. -измерит. техника. - Ужгород. - 1989. - вып. 7. - с. 40-44.

7. I. I. Opachko, L. L. Shimon, A. N. Malinin, B. V. Shkoba, B. J. Homjak Mass-spectrometer and projecting microscope setup // V Summer School and International Symposium on the Physics of the Ionised gases. - Dubrovnic. - 1990. - p. 2. 26.

8. A. N. Malinin, I. I. Opachko, L. L. Shimon, B. V. Shkoba, B. Ja. Homjak, Laser mass-spectrometry of the surfaces of XeCl laser active elements Laser and particle beams // Proc. 21ECLIM. - Warsawa. - 1991. pp. 181-183.

9. A. N. Malinin, I. I. Opachko, L. L. Shimon, B. V. Shkoba, B. Ja. Homjak Ions emission peculiarities at interaction of copper laser periodic pulse with a solid surface // Proc. XXVII Colloquium Spectroscopicum Internationale. - Norway. - Bergen. - Griey Hall. - 1991. - June 9-14.

10. Н. С. Белокриницкий, В. М. Добош, А. Н. Малинин, И. И. Опачко, Б. Я. Хомяк, Л. Л. Шимон, Б. В. Шкоба Лазерная масс-спектрометрия поверхности конструктивных элементов XeCl-лазера // Тезисы докладов III Межреспубликанского семинара. - Гродно. - 1992. - с. 23.

11. А. Н. Малинин, Н. С. Белокриницкий, В. В. Браславец, В. М. Добош, С. А. Евдокимов, И. И. Опачко, Б. Я. Хомяк, Л. Л. Шимон, Б. В. Шкоба Влияние состава, примесей и температуры на генерацию и ресурс работы XeCl-лазера // Тезисы докладов III Межреспубликанского семинара. - Гродно. - 1992. - с. 24.

12. А. Н. Малинин, Н. С. Белокриницкий, Л. Л. Шимон, И. И. Опачко, Б. В. Шкоба, В. М. Добош, Б. Я. Хомяк Работа XeCl-лазера в широком температурном интервале // Международная конференция «Современные проблемы лазерной физики и спектроскопии». - Гродно. - 1993. - с. 211-213.

13. A. N. Malinin, N. S. Belokrinitsky, L. L. Shimon, I. I. Opachko, B. V. Shkoba, B. Ya. Khomyak Diagnostics of XeCl-laser in wide temperature range // Proceedings of Satelite Conf. to Sixteenth Congress of Commission for Optics. - Hungary. - Pech. - 1993. - v. 2. - p. 88-91.

14. I. I. Opachko, L. L. Shimon, A. N. Malinin, B. V. Shkoba, B. Ya. Khomyak Mass-spectrometric study of ablation and stimulated desorption processes under UV-radiation of excimer XeCl-laser // Proceedings of Satelite Conf. to Sixteenth Congress of Commission for Optics. - Hungary. - Pech. - 1993. - v. 2. - p. 92.

15. B. V. Shkoba, L. L. Shimon, I. I. Opachko, A. N. Malinin, B. Ya. Khomyak Multivave pulsed UV excimer laser // National physics conference. - Romania. - Sibiu. - 1994. - (September 21-24). - p. 87.

16. I. I. Opachko, L. L. Shimon, A. N. Malinin, B. V. Shkoba, V. M. Dobosh, B. Ya. Khomyak Mass-spectrometric of ablation and stimulated desorption processes under UV-radiation of XeCl-laser // National physics conference. - Romania. - Sibiu. - 1994. - (September 21-24). - p. 88.

17. A. N. Malinin, L. L. Shimon, I. I. Opachko, B. V. Shkoba, V. M. Dobosh, B. Ya. Khomyak Physico-chemical possibilities of increasing energy and life-time characterystics of a compact gas-discharge pulse periodic excimer XeCl-laser // National physics conference. - Romania. - Sibiu. - 1994. - (September 21-24). - p. 94.

18. О. М. Малінін, Л. Л. Шимон, І. І. Опачко, Б. Я. Хом'як Фізико-хімічні можливості покращення енергетичних та ресурсних характеристик малогабаритного газорозрядного імпульсно- періодичного ексимерного XeCl-лазера // Міжнародна наукова конференція присвячена 150-річчю від дня народження видатного українського фізика і електротехніка Івана Пулюя. - Львів. - 1995. - с. 165-166.

19. A. N. Malinin, L. L. Shimon, I. I. Opachko, V. M. Dobosh, B. Ya. Khomyak Physico- chemical ways of enhancing the output radiation energy and service life of a compact gas-discharge pulse-periodic excimer XeCl laser // Proc. XX IQEC`96. - Sydney. - 1996. - WL84.

Хом'як Б. Я. Особливості процесів утворення іонізованих компонент лазерної плазми під дією на поверхню випромінювання ексимерного лазера та лазера на парах міді. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук із спеціальності 01. 04. 04. - фізична електроніка. - Ужгородський державний університет, м. Ужгород, 1998р.

Захищаються 19 наукових праць.

Досліджена динаміка іонної емісії при резонансному і нерезонанс-ному поглинанні лазерного випромінювання поверхнею і її кореляція з відбивними властивостями області поглинання. Запропоноване застосування активного елемента ЛПМ для швидкісної реєстрації відбивних властивостей опромінюваної мішені. Встановлені особли-вості дії на поверхню імпульсно-періодичного випромінювання ЛПМ.

Ключові слова: ексимерний лазер, лазер на парах міді, резонансне і нерезонансне поглинання, лазерна мас-спектрометрія, іонна емісія, лазерна плазма.

Хомяк Б. Я. Особенности процессов образования ионизованных компонент лазерной плазмы под действием на поверхность излучения эксимерного лазера и лазера на парах меди. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01. 04. 04. - физическая электроника. - Ужгородский государственный университет, г. Ужгород, 1998г.

Защищаются 19 научных работ.

В работе впервые с помощью квантового усилителя яркости (КПЯ) на базе активного элемента лазера на парах меди исследована динамика ионной эмиссии при резонансном и нерезонансном поглощении лазерного излучения паром и ее корреляция с отражательными способностями области поглощения. При этом для алюминия возможно резонансное поглощение паром излучения XeCl-лазера (308 нм) с последующим переизлучением. Расчеты для этого случая дают зависимость от времени характера ионной эмиссии, а также температуры и концентрации ядра плазменного сгустка с двумя максимумами. Эти параметры влияют на динамику отражательных способностей плазмы. В случае нерезонансно поглощающей графитовой мишени имеем, соответственно, зависимости эмиссии и динамики изменения параметров плазмы с одним максимумом.

Использование для масс-спектрометрического анализа состава поверхности лазерного излучения УФ диапазона имеет свои преимущества, поскольку в этом случае возможно реализовать режим, в котором отсутствует нежелательный эффект «взрывного» испарения, что особенно важно при анализе тонких пленок поверхностного слоя в диапазоне толщин l 0, 1 мкм. При этом для излучения XeCl-лазера (308 нм) плотностью мощности q = (1 5) 107 Вт/см2 толщина слоя мишени, экстрагируемого за импульс, составляет 0, 01 0, 02 мкм, а низкие энергии емиттированных ионов (единицы электронвольт) дают возможность отказаться от энергоанализатора, повысив, тем самым, чувствительность масс-спектрометрии в 102 раз. Средняя степень ионизации испаряемого конденсата в этом случае на 1, 5 2 порядка превышает степень ионизации при облучении мишени излучением ИК диапазона, что в сочетании с низкими энергиями емиттированных ионов дает возможность понизить концентрационную границу регистрации примесей в 103 104 раз, и довести ее до 10-8%.

В работе, также, представлены результаты исследования эмиссии ионов под действием на поверхность излучения лазера на парах меди (ЛПМ). В отличие от импульсных лазеров импульсно-периодический характер (с высокой частотой следования импульсов ~10 кГц) излучения ЛПМ вносит свои особенности в эмиссию, обусловленные:

- высокой средней междуимпульсной температурой поверхности и связанной с ней непрерывной составляющей потока частиц;

- образованием кратера и связанными с этим кумулятивными процессами при расширении образованной плазмы.

С учетом этих особенностей и в зависимости от условий фокусирования выделены и классифицированы четыре качественно разных режима ионизации: взрывной, многофотонный, «кумулятивный» и термоэмиссионный. Выявлены нелинейные эффекты ионизации и самофокусировки под действием импульсно-периодического излучения ЛПМ на поверхность связанные с возникновением устойчивых пространственных структур и исследована их корреляция с особенностями ионной эмиссии.

Ключевые слова: эксимерный лазер, лазер на парах меди, резонансное и нерезонансное поглощение, лазерная масс-спектрометрия, ионная эмиссия, лазерная плазма.

Khomyak B. Ya. The Peculiarities of the Processes for the Formation of Laser Plasma Ionized Components Under the Action of the Radiation of Excimer and Copper Vapour Lasers onto the Surface. - Manuscript.

Present this for a candidate's of physical and mathematical sciences on scientific discipline 01. 04. 04. - physical electronics - Uzhgorod State University, Uzhgorod, 1998.

19 scientific works are being defended.

The ionic emission dynamics at resonant and nonresonant absorption of laser radiation by the surface and its correlation with reflective properties of the absorption region has been investigated. The usage of CVL active element has been proposed for a speedy recording of reflective properties of the target under irradiation. The peculiarities of the action of CVL pulsed - periodic radiation have been established.

Key words: excimer laser, copper vapour laser, resonant and nonre-sonant absorption, laser mass-spectrometry, ion emission, laser plasma.

Размещено на Allbest.ru