книги из ГПНТБ / Локальные методы анализа материалов

p.697.

78.Полупроводниковые соединения AIUBV. Под ред. P. Виллардсона и X. Геринга. Изд-во «Металлургия», 1967.

79.Б е й н о н Д. Масс-спектрометрия и ее применение в орга­ нической химии. Изд-во «Мир», 1964.

p.1279.

88.К e s s 1 e г Т. a. H і с к a m W. M . Annual Conference on Mass Spectrometry, 1965, p. 90.

89.В і e m a n n К. a. M с С 1 о s к e у J. A. J. Am. Chem. Soc, 1962, v. 84, p. 2005.

90. Ч у n a x и н M . С. и др. ДА Н СССР, 1964, т. 158, № 3, с. 689.

Раздел 11

Лазерный

микроанализ

Г л а в а 1

Лазеры и эффекты, сопутствующие взаимодействию лазерного излучения с веществом

Крупнейшим открытием последнего десятилетия на­ шего века являются лазеры *. Явление усиления электро­ магнитных колебаний оптического диапазона при помо­ щи индуцированного излучения атомов и молекул лежит в основе работы лазеров [1]. Лазерное излучение так же, как и искру, в последние годы с успехом используют для аналитических целей, в частности в локальном ана­ лизе.

Понятие лазерного микроанализа включает фокуси­ рование лазерного излучения в исследуемую зону с по­ следующей регистрацией параметров образующейся микроплазмы аналитическими приборами.

Метод проектирования на щель оптического спектро­ графа микроплазмы, полученной при помощи «лазерного микроскопа» с последующей регистрацией оптического спектра пробы, носит название лазерного спектрального анализа. Основы лазерного микроанализа по оптическим спектрам подробно описаны в работе [39].

' Регистрация ионов микропробы датчиками масс-спек­ трометра в вакуумной измерительной камере с последу­ ющим разложением на масс-спектры и их идентификаци­ ей называется лазерным масс-спектральным анализом.

* Термин «лазер» образован из начальных букв слов следующего английского - выражения: light amplification by stimulated emission of radiation, что в русском переводе означает: «усиление света с по­ мощью индуцированного излучения». В отечественной литературе принято также обозначение лазеров буквами ОКГ (оптические кван­ товые генераторы).

Лазеры и лазерный микроскоп

Резонаторы и режим свободной генерации

Важнейшей неотъемлемой частью любого оптическо­

стей, между которыми располагается активное вещество генераторов (например, кристалл рубина).

Основным назначением резонатора является осущест­ вление обратной положительной связи за счет возвраще­ ния некоторой части распространяющегося между отра­

усиливать многократно проходящее через нее излучение. Процесс усиления тесно связан с направленностью из­ лучения. Наибольшее число раз через активную среду пройдут лишь те лучи, которые распространяются под очень небольшими углами к оси резонатора. Они в ос­ новном и будут определять выходную мощность. Лучи, идущие под большими углами к оси резонатора, при каждом отражении от зеркала будут все сильнее откло­ няться от оси и выходить через боковые поверхности ак­ тивной среды, не получив достаточного усиления, мощ­ ность их будет незначительной. Таким образом, резона­ тор выполняет в лазере важнейшие функции, определяя как само существование генерации, так и основные свой­ ства выходящего излучения. Наиболее широко использу­ ется резонатор с плоскими зеркалами, преимуществом

которого является простота в изготовлении.

Однако временное распределение излучения, выходя­ щего из резонатора с плоскими зеркалами характеризу­ ется хаотичностью и состоит из нескольких сот коротких импульсов длительностью около 2 мксе,к. Интервалы между всплесками могут быть порядка 5—10 мксек (рис. 20). Полная длительность импульса излучения со­ ставляет 0,5—1,0 мсек.

Хаотичность пульсаций лазера и очевидное отсут­ ствие их повторяемости, по-видимому, вызваны различ­ ными факторами. Одним из этих факторов является не­ однородное возбуждение активной среды. В связи с этим вынужденное излучение развивается в каждой части ак-

ТЇІВНОГО элемента с различной скоростью и не одновре­ менно. Временное распределение излучения лазера су­ щественно зависит и от конфигурации резонатора. Вооб­ ще нерегулярный сигнал получается в системах с раз­ личной добротностью для многих возможных типов коле­ баний, что имеет место в генераторах с резонаторами из

Рис. 20. Осциллограмма излучения рубинового лазера в резо­ наторе с плоскими зеркалами (1 деление — 5 мксек)

плоских зеркал. В этом случае одновременно возникает небольшое число поперечных типов колебаний, с течени­ ем времени одни типы сменяются другими. Регулярный выходной сигнал может, наблюдаться, если в системе воз­ можно возбуждение только одного типа колебаний или большого числа типов колебаний с примерно одинаковы­ ми добротностями.

Условия для возникновения большого числа типов ко­ лебаний с мало различающимися добротностями наибо­ лее благоприятны в резонаторах, образованных сфериче­ скими зеркалами, или в конфокальных резонаторах.

Конфокальный резонатор может быть образован сфе­ рическими или параболическими зеркалами. Сфериче­ ские зеркала должны иметь одинаковую кривизну и сов­ падающие фокусы.

Врезонаторе со сферическими конфокальными зер­ калами существуют те же нормальные типы колебаний, что и в плоскопараллельном резонаторе. Однако поверх­ ности зеркал в конфокальном резонаторе являются по­ верхностями равных фаз, т. е. распределение фазы по по­ верхности зеркала однородно. Электромагнитное поле значительно сильнее сконцентрировано у оси отражателя

ипадает на краях до меньшей величины, чем в резонато­ ре с плоскими зеркалами.

Вработах [3, 4] рассмотрен более упорядоченный режим временного распределения в лазере на рубине

.с конфокальными резонаторами. В работе [5] также со­ общается о получении регулярного временного распре­ деления излучения лазера на неодимовом стекле с резо­ натором из сферических зеркал при различных расстоя­ ниях между ними. В работе показано, что периодический режим временного распределения зависит от расстояния между зеркалами и расположения их относительно гене­ рирующего стержня.

Во всех экспериментально исследованных случаях импульс генерации состоял из регулярно следующих друг за другом пичков одинаковой формы.

Работа лазера

в режиме модулированной добротности

Описанное выше временное распределение излучения в плоском и конфокальном резонаторах соответствует так называемому режиму свободной генерации. Однако, используя те же резонаторы, на выходе из оптического квантового генератора можно получить всего один им­ пульс.

Одним из методов получения моноимпульса является режим с модуляцией добротности резонатора.

При работе обычного лазера излучение начинается до окончания накачки. Это обстоятельство мешает переводу большей части активных частиц в возбужденное состоя­ ние. Однако есть возможность обеспечить такое состоя­ ние рабочего вещества, при котором почти все его актив­ ные частицы будут находиться в возбужденном состоя­ нии. Это состояние может возникнуть еще до наступле­ ния генерации. Следовательно, для достижения таких условий необходимо исключить генерацию до тех пор, пока не кончился процесс накачки.

В работающих системах для получения моноимпуль­ сов между стержнем лазера и одним из зеркал помеща­ ют оптический затвор. В момент накачки, когда импульс­ ная лампа-вспышка включена, затвор не пропускает све­ та к зеркалу и отражения не происходит. И хотя очень большое число частиц активного вещества переведено в возбужденное состояние, генерация не возникает. Когда процесс накачки заканчивается и число возбужденных ионов достигает максимума, затвор быстро открывается. Вслед за этим в стержне мгновенно возникает генерация. Вся энергия, запасенная в возбужденных ионах актив-

ного вещества, освобождается в одном гигантском им­ пульсе-взрыве. Длительность такого импульса составля­ ет около Ю - 8 сек, и мощность сфокусированного излуче­ ния достигает 10" вт/см2. На рис. 21 показан импульс, полученный при модулировании добротности резонатора.

Однако энергия в импульсе на выходе из лазера не возрастает, а даже уменьшается вследствие дополнитель-

900

только мощность.

Принцип действия затвора иначе можно рассматри­ вать с точки зрения внесения им переменных потерь в ре­ зонатор, что приводит к изменению добротности резона­ тора. Именно по этой причине лазеры, излучающие ко­ роткие и мощные моноимпульсы, называют генераторами с переменной или модулированной добротностью. По­ скольку добротность обычно обозначается Q, то рассмат­ риваемые лазеры называются иногда лазерами с Q-моду- ляцией. Наконец, имея в виду огромную мощность излу­ чаемых импульсов, их называют также генераторами гигантских импульсов.

В настоящее время в качестве затворов используют различные устройства, действие которых основано на механ-ических, акустико-оптических или фотохимических эффектах прерывания света [6] .

Лазерный микроскоп

Во всех лазерных микроанализаторах существует си­ стема визуального наблюдения за взаимодействием ла­ зерного излучения с поверхностью исследуемого мате-

риала. Соединение внешней энергетической оптической системы, через которую проходит луч лазера, с наблю­ дательной системой принято называть лазерным микроскопом. Таким образом, при помощи лазерного микроско­ па можно не только фокусировать на изучаемую поверх­ ность луч лазера, но и одновременно наблюдать и из­ мерять облученную зону.

3

Рис. 22. Схема лазерных микроскопов:

/ — лазер; 2 — образец; 3—осветитель; 4, 5 — зеркала

Схемы лазерного микроскопа для оптического эмис­ сионного спектрального и масс-спектрального анализа несколько различаются в связи со спецификой методов, но принцип работ один и тот же. На рис. 22 представле­ ны схемы лазерных микроскопов для спектрального и масс-спектрального анализов.

Как указывалось выше, оптические квантовые генера­ торы излучают в очень небольшом телесном угле, т. е. ла­ зеры можно рассматривать как источники почти парал­ лельных лучей с малой расходимостью.

Однако с удалением от резонатора расходимость све­ тового луча увеличивается. Уменьшить расходимость в этом случае нам поможет фокусирующая система ла­ зерного микроскопа. Рассмотрим, какой наименьший диаметр фокального пятна мы сможем получить, фоку­ сируя луч рубинового лазера с длиной волны %=0,7 мкм на излучаемую поверхность.

В образовании фокального пятна участвует дифрак­ ция, увеличивая его размер. Освещенное лучом лазера место на поверхности мишени окружено большим числом

О механизме взаимодействия излучения лазера с веществом

Режим свободной генерации

Рассмотрим теперь, как действуют на материалы мощные световые пучки, получаемые от лазеров, рабо­ тающих в режиме свободной генерации.

Оптические свойства [8] металлов удовлетворитель­ но описываются моделью свободных электронов. Сог­ ласно этой модели, не отраженный от поверхности ме­ талла свет практически полностью поглощается. Погло­ щение происходит по закону Бугера—Ламберта:

(б — коэффициент поглощения; / и /о — плотность све­ тового потока на расстоянии х от облученной поверхно­ сти и в падающем пучке соответственно). Толщина слоя, в котором поглощается излучение: 1/6= 104— 105 см~1.

Для полупроводниковых же материалов поглощение света зависит от соотношения энергии кванта hv и ши­ рины зоны запрещенных энергий АЕ. Если hv<.AE, то в идеальном полупроводниковом кристалле поглощение определяется свободными носителями и составляет не­

ние связано с переходами электронов из валентной зоны в зону проводимости.

случае полупроводников приводит прежде всего к повы­ шению температуры Те газа валентных электронов. На­ гревание решетки происходит в результате обмена энер­ гии между электронами и решеткой. Время передачи энергии решетке электронным газом, нагретым излуче­

ным газом и решеткой в этом слое принимает стацио­ нарное значение.

С.повышением температуры поверхности материала отражательная способность уменьшается и вся погло­ щенная энергия переходит в тепло.