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

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. 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. 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.Розглянуто вплив процесів багатофотонної іонізації та іонізації при резонансному поглинанні лазерного випромінювання парою на емісію заряджених і нейтральних частинок. 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. У третьому розділі представлено результати досліджень процесів резонансної та нерезонансної дії випромінювання ексимерного XECL-лазера на поверхню. Умови резонансного поглинання лазерного випромінювання компонентами лазерної плазми реалізовуються при дії випромінювання ексимерного XECL-лазера з довжиною хвилі l308 нм, близької до довжини хвилі переходу в атомі алюмінію 3P1/2-3D3/2 (l308, 2 нм). При цьому для випромінювання XECL-лазера (l308 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.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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-періодичного 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. Хомяк 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 Physicochemical possibilities of increasing energy and lifetime 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. Хомяк 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 Physicochemical 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.

Хомяк 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 нерезонансному 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 особливості 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 (l308 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 (l308 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 candidates 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 nonresonant absorption, laser mass-spectrometry, ion emission, laser plasma.

Размещено на .ru