1.2 Действие наносекундных лазерных импульсов на поверхность полупроводниковых мишеней

Поглощение излучения в полупроводниках определяется двумя эффектами: межзонным поглощением и поглощением на свободных носителях. Величина поглощения в них может изменяться от близкой к металлам до много меньшего значения.

Слабо легированный кремний при 300 К имеет коэффициент поглощения около 30 см^-1 на длине волны излучения неодимового лазера (λ = 1,06 мкм); это означает, что свет проникает в такой полупроводник глубже и поглощает­ся в гораздо большем объеме вещества. Механизм поглощения – образование электронно-дырочных пар, которые безызлучательно рекомбинируют, передавая энергию кристаллической решетке и нагревая вещество.

При плотности энергии 5-10 Дж/см² в веществе появляются трещины, ям­ки термического травления; при увеличении энергии в импульсе возникают глубокие кратеры.

Причиной появления трещин является тепловой удар. Этот эффект наблюдается при воздействии на полупроводники Si, GaAs, CdSe излучением с длительностью импульсов 20...30 нс и падающей плотностью мощности 20...30 МВт/см².

Проведен анализ возникновения теплового удара при погло­щении, обусловленном свободными носителями в зоне проводимости полупро­водника (при частоте излучения ω = E_g/h, где E_g - ширина запрещенной зоны). Концентрация носителей n_e и коэффициент поглощения χ_е кристалла зависят при этом экспоненциально от температуры:

, (1.25)

. (1.26)

Указанная температурная зависимость приводит к наличию критической интенсивности света, когда тепловыделение превышает теплоотвод и температура кристалла неограниченно возрастает при постоянной интенсивности облучения.

При интенсивности светового потока 10⁹ Вт/см², длительности импульса 40 нс и диаметре зоны воздействия 30 мкм, глубина испарённой зоны в кремнии составляет 3÷4 мкм.

Воздействие мощных наносекундных импульсов на полупроводники приводит как к процессам, идущим вне полупроводника (образование газа и плазмы, нагревание плазмы излучением, ионизацию газа), так и к процессам внутри – движение границы разрушения в глубину, увеличение температуры вблизи зоны воздействия лазерного луча, распространение в твердом теле волн сжатия и разряжения.

Обнаружено плавление поверхностного слоя полупроводника.

Установлено, что при плотности излучения (2÷8)∙10⁸ Вт/см² электросопротивление Si и Ge независимо от типа проводимости сильно падает, что связывается с образованием и прохождением ударной волны. Для Ge наблюдалось уменьшение электросопротивления на несколько порядков.

При облучении n-Si излучением рубинового лазера (λ = 0,694 мкм, τ_и = 50 нс) с плотностью мощности 1,2∙10⁹ Вт/см² в кристаллах возникали дефекты, что приводило к появлению в запрещенной зоне новых уровней с энергиями 0,4 эВ и 0,45 эВ. Возникновение дефектов также связывают с прохождением ударных волн в образцах.

1.3 Действие лазерного излучения на органы зрения

Падающее излучение фокусируется в малое пятно на сетчатке, что увеличивает интенсивность облучения и вызывает поражение сетчатки глаза. На рисунке 1.3 показаны спектральные характеристики человеческого глаза. Там же приведено произведение коэффициента пропускания глаза на поглощающую способность сетчатки, т.е. доля падающего на глаз света, фактически поглощаемая сетчаткой.

По этой же кривой можно судить о поражаемости сетчатки в зависимости от длины волны света. Излучение лазеров, работающих на длине волны меньше 0,3 мкм и больше 1,6 мкм, поглощается в глазной среде и не достигает сетчатки.

Рис. 1.3 Спектральные характеристики человеческого глаза. 1 - пропускание глазной среды; 2 - произведение пропускания на поглощение (в процентах) в пигментном эпителии сетчатки. Стрелками отмечены длины волн генерации некоторых распространенных лазеров

Типичные поражения сетчатки под действием лазерного луча, исследованные на кроликах, состоят из коагулированных участков сетчатки, в центре которых имеется небольшое кровоизлияние; со временем это повреждение пре­вращается в белый рубец.

При увеличении энергии импульса разрушение становится более значитель­ным: выраженное кровоизлияние, пузырьки газа, складки в структуре. При использовании излучения рубинового лазера порог разрушения сетчатки при длительности импульса 1∙10^-8 с составляет ≈ 5∙10⁶ Вт/см²; при 30 нс энергетический порог составляет 6,07 Дж/см². Для неодимового лазера порог в 5-6 раз выше приведенных значений.

Пороговое разрушение сетчатки имеет тепловую природу и связано с увеличением температуры биологической ткани на 10 °С (при длительностях облуче­ния несколько секунд). Установлено, что уменьшение длительности лазерного импульса до десятков нс уменьшает величину энергии разрушения. Предполагаемое объяснение этому неожиданному эффекту: энергия при малых длитель­ностях выделяется неоднородно, поглощается на гранулах размером доли мкм и нагревает их выше 120 °С, тогда как при большой длительности энергия не локализуется, выделяется однородно, тепло успевает распространяться за счет теплопроводности. На рисунке 1.4 показана зависимость интенсивности на сетчатке глаза при прямом облучении рубиновым лазером от расстояния до лазера.

Рис. 1.4 Зависимость интенсивности лазерного излучения рубинового лазера на сетчатке глаза от расстояния до лазера. V - предел видимости в атмосфере. Кривая 1 - t_и = 30 нс, Р = 10⁷ Вт; кривая 2 - t_и = 1 нс, Р = 10⁴ Вт.

Интенсивность излучения на сетчатке можно вычислить по выражению:

, (1.27)

где Р - мощность, излучаемая лазером,

Т_пр - коэффициент пропускания глаза,

f - фокусное расстояние объектива,

θ - расходимость луча лазера,

λ - длина волны,

R - расстояние до лазера,

D - диаметр зрачка глаза,

μ- коэффициент поглощения излучения в атмосфере.