0.1. Особенности экспериментального изучения воздействия фемтосекундных лазерных импульсов на материалы

Кратковременность воздействия вызывает значительные экспериментальные трудности при изучении кинетики воздействия. Возможность изучения изменения свойств поверхности с фемтосекундным временным разрешением возможна с использованием зондирующих импульсов, связанных с основным импульсом излучения. Задача усложняется тем, что требуется получать данные о состоянии области воздействия не только во время импульса накачки, но и при временах, больших его длительности на порядки, что необходимо для понимания важных особенностей протекающих физических процессов.

Сегодня изучена лазерная абляция в металлах и полупроводниках при использовании калиброванных пико- и фемтосекундных лазерных импульсов. Схема типичной экспериментальной установки показана на рис. 0.2. Воздействующий импульс, используемый для лазерной абляции (импульс накачки), подается на мишень (часто под углом). Возбужденная поверхностная область освещается слабым, задержанным по времени зондирующим импульсом, попадающим на поверхность образца через объектив с высоким разрешением.

Рис. 0.2. Экспериментальная установка (вставка показывает как импульс накачки перемещается поперек поверхности образца)

Отраженный мишенью свет собирается объективом и регистрируется цифровой камерой (ПЗС-камерой). Таким образом, можно регистрировать изменение отражения света, интерференционные картины отраженного зондирующего импульса, само изображение области воздействия в произвольные моменты времени после импульса накачки. Временное разрешение согласуется с продолжительностью зондирующего импульса. Такая техника позволяет детально рассмотреть все стадии развития абляции, в зависимости от времени и от значения оптической энергии, включая и формирование окончательной морфологии поверхности.

Приведем наиболее характерные результаты одного из экспериментов. На рис. 0.3 приведены микрофотографии, выполненные с фиксируемым временным разрешением, поверхности кремниевых пластин. На фотографиях видно изменение отражтельной способности поверхности после воздействия импульса накачки длительностью 100 фс на длине волны 620 нм с плотностью энергии 0,47 Дж/см². Числа в рамках указывают временную задержку после импульса накачки.

Увеличение яркости поверхности, наблюдаемое в течение первых несколько сотен фемтосекунд, говорит об увеличении оптического отражения, вызванного фотовозбужденной электронно-дырочной плазмой. Яркая овальной формы область при 2,0 пс представляет собой металлическую жидкость.

Во время абляции на изображении поверхности в центре расплавленной поверхности через 0,9 нс появляется система узких темных колец (колец Ньютона). Изображения, наблюдаемые через 10 нс, 20 нс после воздействия и при , говорят о затвердевании поверхности на окончательной стадии абляции.

Бледная кольцевая переходная область жидкой фазы представляет аморфный кремний, а контрастная темная линия представляет периферию области, в которой сформирована система темных колец. Ряд особенностей в изменении структуры темных колец, наблюдаемых через несколько сотен пикосекунд после воздействия, показан на рис. 0.4.

Рис. 0.3. Микрофотографии поверхности кремния (ориентация ) с временным разрешением 100 фс, облученной импульсом длительностью 100 фс с плотностью энергии 0,47 Дж/см². Размер структуры: 300 х 220 мкм

Рис. 0.4. Развитие кольцевой структуры во времени при возбужденнии импульсом с плотностью энергии 0,47 Дж/см² поверхности кремния. Размер структуры: 300 х 220 мкм

Число колец увеличивается со временем, в то время как область, охваченная кольцами, остается постоянной, то есть, интервал между кольцами уменьшается.

По этим фотографиям можно восстановить распределение коэффициента отражения по области воздействия в различные моменты времени. Пример измеренного профиля отражения приведен на рис. 0.5.

Аналогичные результаты были получены для различных материалов. Примеры таких колец, полученных при облучении тонких пленок , , и через 1,5 – 4 наносекунды после воздействия приведены на рис. 0.6.

Рис. 0.5. Профиль отражения кольцевой структуры для 1,2 нс.

На рис. 0.7 приведены картины при после воздействия на импульса с плотностью энергии 0,27 Дж/см² и микрофотография структуры тонкой линии. Левая картина была получена при использовании фазоконтрастной микроскопии.

Рис. 0.6. Примеры кольцевых структур, наблюдаемых в различных материалах

Рис. 0.7. Картины на "бесконечности" и структура тонкой линии кольца

По результатам подобных экспериментов можно судить о временах нагревания, плавления и разрушения при действии сверхкоротких лазерных импульсов. Меняющиеся интерференционные картины области воздействия свидетельствуют о перемещении материала в пределах тонкого поверхностного слоя при формировании следа воздействия переменной глубины.

Для анализа процессов, инициируемых сверхкоротким лазерным воздействием, требуется соотнести изменение свойств поверхности с ее температурой. Изменение температуры рассчитывают, как правило, используя двухтемпературную модель.