Закономерности образования упорядоченных микро- и наноструктур в конденсированных средах при лазерном возбуждении мод поверхностных поляритонов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, доктор физико-математических наук Макин, Владимир Сергеевич

• Макин, Владимир Сергеевич
• доктор физико-математических наук
• 2012

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Макин, Владимир Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ

ПЭВ зондирование

Обзор экспериментальных работ по формированию периодических поверхностных структур под действием лазерного излучения

Основные результаты и структура диссертации

ГЛАВА 1. СУЩЕСТВОВАНИЕ И СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ ПОЛЯРИТОНОВ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА СРЕД. ТЕОРИЯ

1.1. Поверхностные поляритоны на границе раздела однородных полубесконечных сред

1.2. Поверхностные поляритоны на границе раздела поверхностно-активной среды с пространственно неоднородной диэлектрической проницаемостью

1.3. Дисперсия цилиндрических поверхностных плазмон поляритонов в слоистых структурах

1.4. Цилиндрические поверхностные плазмон поляритоны в среде с пространственно неоднородной экспоненциально изменяющейся диэлектрической проницаемостью

Выводы

ГЛАВА 2. ФОРМИРОВАНИЕ ПЕРИОДИЧЕСКИХ СТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

2.1. Элементы теории образования периодических поверхностных структур

2.2. Экспериментальная установка и методы для исследования образования и измерения параметров периодических поверхностных структур

2.2.1. Экспериментальная установка

2.2.2. Методы экспериментального изучения поверхностного рельефа

2.3. Основные решетки, образующиеся при воздействии линейно поляризованного излучения

2.3.1. р- и s-поляризованное излучение

2.3.2. Поверхностные периодические структуры при произвольной ориентации линейно поляризованного излучения

2.3.3. О проявлении дисперсионных свойств поверхностных плазмон поляритонов

2.3.4. Двойные поверхностные периодические структуры

2.4. Поверхностные периодические структуры, обусловленные интерференцией полей поверхностных плазмон поляритонов

2.4.1. Р-поляризованное излучение

2.4.2. s-поляризованное излучение

2.4.3. Круговая поляризация

2.5. Лазерно-индуцированный рельеф гексагональной симметрии на поверхности (111) германия

2.6. Интерференция с участием пространственных гармоник поверхностных плазмон поляритонов и формирование поверхностных периодических структур

2.7. Особенности начальных стадий формирования периодического рельефа

2.8. Структуры на кремнии с кратными периодами под действием миллисекундного излучения

2.8.1. Экспериментальная установка

2.8.2. Действие неполяризованного лазерного излучения

2.8.3. Приблизительно нормальное падение линейно поляризованного излучения,

0" < в < 9"

2.8.4. Поляризованный по кругу свет

2.8.5. р— и s - поляризованное излучение, 9" <9 < 30"

2.8.6. 30" < в < 70", р~поляризованное излучение

2.8.7. Начальные стадии формирования микрорельефа

2.8.8. Действие пространственно промодулированного излучения

Выводы

Глава 3. ОБРАЗОВАНИЕ МИКРО- И НАНОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТЯХ МЕТАЛЛОВ

3.1. Особенности формирования регулярного рельефа на поверхностях окисляющихся металлов

3.2. Формирование мелкомасштабных периодических структур на поверхности окисляющихся металлов под действием излучения СО2 лазеров

3.2.1. Воздействие импульсов излучения СО2 лазера

3.2.2. Мелкомасштабные структуры при воздействии непрерывного сканируемого излучения СОг лазера

3.3. Управляемое перемещение границ зерен при рекристаллизации и микрорельеф поверхности титана, индуцированные импульсами лазерного излучения

3.4. Формирование структур на поверхности титана

3.4.1. Хаотическое наноструктурирование поверхности

3.4.2. Формирование резонансных микроструктур на поверхности титана

3.4.3. Регулярное наноструктурирование поверхности титана и формирование наноконусов

3.5. Мелкомасштабные микроструктуры на металлических зеркалах под действием серии наносекундных импульсов излучения СОг лазера

Выводы

Глава 4. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОЛЯРИЗОВАННОГО С02 ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С ПРОЗРАЧНЫМИ СРЕДАМИ И ФОРМИРОВАНИЕ УПОРЯДОЧЕННЫХ СТРУКТУР

4.1. Образование динамического волновода и мелкомасштабного рельефа при воздействии непрерывного лазерного излучения на поверхности полупроводника

4.2. Мелкомасштабный периодический рельеф, формируемый на поверхности полупроводника излучением импульсного СО2 лазера

4.2.1. Введение

4.2.2. Экспериментальная установка

4.2.3. Результаты экспериментов

4.2.4. Обсуждение экспериментальных результатов

4.3. Формирование ортогональных решеток рельефа

4.4. Образование периодических микроструктур на поверхностях прозрачных диэлектриков под действием излучения TEA СО2 лазера

4.5. Воздействие поляризованного СО2 лазерного излучения на кварцевое стекло

Выводы

Глава 5. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ УЛЬТРАКОРОТКИХ ИМПУЛЬСОВ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С КОНДЕНСИРОВАННЫМИ СРЕДАМИ

5.1. Универсальная поляритонная модель для нетермических фазовых переходов

5.1.1. Расширенная универсальная поляритонная модель для нетермического фазового перехода

5.1.2. Вольфрам (молибден) и неравновесные электроны

5.1.3.Структуры на металлах

Выводы

5.2. Фундаментальная универсальность поведения пространственных периодов интерференционных структур, образующихся с участием поверхностных поляритонов

5.3. Нелинейное взаимодействие линейно поляризованного лазерного излучения с конденсированными средами и формирование субволновых структур

Выводы

5.4. Упорядоченное структурирование конденсированных сред фемтосекундным лазерным излучением нетрадиционной поляризации

5.5. Дисперсия поверхностных плазмон поляритонов и периоды микроструктур в структуре с пространственно заряженным слоем эмитированных электронов, образующихся под действием излучения фемтосекундной длительности на металл

5.6. Образование упорядоченных наноструктур в цилиндрическом канале 4H-SiC при фемтосекундном облучении

5.7. Синергетическое формирование и транспорт релятивистского электронного пучка экзаваттным лазерным излучением

5.8. Наноструктуры и канальные поверхностные плазмон поляритоны

Выводы

Глава 6. ОПТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ, ВОЗБУЖДЕНИЕ, РАСПРОСТРАНЕНИЕ И ИНТЕРФЕРЕНЦИЯ ПЭВ

6.1. Двухпризменная установка для измерения длины затухания ПЭВ

6.2. Связь оптических характеристик металла с длиной затухания ПЭВ

6.3. Температурная зависимость затухания ПЭВ среднего ИК диапазона

6./3.1. Оценка температурной зависимости затухания ПЭВ

6.3.2. Эксперимент

6.4. Гетеродинный метод измерения фазовой скорости ПЭВ

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Закономерности образования упорядоченных микро- и наноструктур в конденсированных средах при лазерном возбуждении мод поверхностных поляритонов»

В последние два десятилетия ведутся обширные исследования в области физики поверхностных явлений, поскольку с продвижением к нанометровым пространственным масштабам размеров изучаемых объектов поверхность все в большей мере определяет их свойства. Исследование свойств поверхности конденсированной среды является актуальным научным направлением. Для анализа протекающих процессов широко привлекаются представления о поверхностных возбуждениях, характерных для границ раздела сред.

Поверхностными поляритонами принято называть электромагнитные волны, распространяющиеся вдоль поверхностей и границ раздела сред. Напряженность электрического поля в такой волне экспоненциально убывает при удалении от плоскости раздела обеих сред, однако вдоль границы раздела поля изменяются обычным волнообразным образом [1]. Как известно, обычные электромагнитные волны в физике конденсированного состояния называют поляритонами, поскольку вблизи линий поглощения электромагнитную волну можно описывать как смешанную моду, обусловленную взаимодействием электромагнитного поля с элементарным возбуждением среды. Сказанное поясняет то, почему в литературе по физике конденсированных сред фигурирует название поверхностные поляритоны (ПП). В последнее время поверхностными электромагнитными волнами (ПЭВ) называют поверхностные поляритоны, существующие вдали от резонансных частот, энергия которых локализована в среде без потерь и потому распространяющихся на большие расстояния. Линейные поверхностные поляритоны являются нерадиационными волнами, то есть их невозможно возбудить светом на идеально гладкой границе раздела. Поверхностные поляритоны принято разделять, в зависимости от соотношения действительной (£■,) и мнимой (е 2) частей диэлектрической проницаемости среды, на моды Фано (f, » s2) и моды Ценнека-Зоммерфельда (si « s2) [1]. Важный вклад в разработку теории ПП был сделан A.A. Марадудиным [2], В.М. Аграновичем [1, 3], Д.Л. Миллсом [4].

В последнее время наблюдается повышенный интерес исследователей к более пространственно локализованным поверхностным электромагнитным возбуждениям: экспериментально обнаружены цилиндрические поверхностные плазмон поляритоны (ППП), предложены и разрабатываются новые типы ППП, такие как канальные (channel) [5], щелевые (gap) и другие. Развитие этого направления продиктовано существенно субволновой пространственной локализацией этих возбуждений, возможностью получения субволновой концентрации энергии электромагнитного излучения, малыми длинами распространения волн и возможностью миниатюризации создаваемых на их базе устройств и приборов. Теоретически и экспериментально показана возможность фокусировки (локализации энергии) ППП по заужающимся волноведущим структурам (например, цилиндр с коническим острием) в существенно субволновые размеры [6]. Область физики, занимающаяся исследованиями поверхностных поляритонов, получила название наноплазмоники [7].

За последние годы возникло направление работ, направленное на миниатюризацию устройств обработки оптических сигналов, с использованием поверхностных плазмон поляритонов. Это обусловлено малыми длинами распространения канальных поверхностных плазмон поляритонов в видимой области спектра на границах раздела поверхностно-активных сред (порядка десятков микрон), а также высокой степенью их пространственной локализации.

Проблема пространственной субволновой локализации излучения существенна и для ряда практических приложений, к числу которых можно отнести ЗЭ оптическую память с высокой плотностью записи информации в единице объема. Устройства ближнепольной оптики позволяют преодолеть дифракционный предел и сформировать поверхностные структуры с характерным размером много меньше длины волны используемого излучения, однако производительность такого метода ограничена сложностью поддержания малого расстояния зонд - поверхность.

В настоящее время остро встала проблема связи электронных чипов с оптическими каналами связи [8]. Имея ввиду цилиндрические (канальные) ППП, а также эффекты увлечения, можно ожидать реализацию такой связи путем оптического возбуждения ППП, в которых перенос возбуждения осуществляется электронной подсистемой.

ПЭВ зондирование

Метод спектроскопии поверхностных поляритонов (ПП) является наиболее чувствительным в оптике и используется для изучения спектров поглощения тонких слоев, определения оптических постоянных металлов в основном видимой области спектра, где возбуждение ПП осуществляется преимущественно методом нарушенного полного внутреннего отражения, для изучения нелинейных оптических процессов, таких как генерация второй гармоники, бистабильность. Важный вклад в развитие метода был сделан Г.Н. Жижиным с коллегами [1, 9]. Развитие технологии получения металлических зеркал высокого качества для средней ИК области спектра повлекло за собой разработку сравнительно простых методов измерения малых величин поглощательной способности

ПС) поверхности металла (А) («(0.3-1.0)%), чувствительных и к микронеровностям поверхности при ее характерных размерах <1004, и оперативного контроля. Для выявления потенциальных возможностей поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) актуальным стал вопрос о связи оптических постоянных металла с характеристиками ПЭВ, распространяющейся вдоль границы раздела металл - воздух. Было выполнено большое количество работ по определению длины распространения ПЭВ на различных металлах и полупроводниках в средней ИК области спектра (см., например, [1, 9]). Измеряемые значения длин распространения были меньше теоретических значений, а появившаяся разница связывалась с наличием дефектов поверхности (например, возникающих при деформации поверхностного слоя металла при его механической полировке), наличием шероховатости поверхности и рассеянием ПЭВ. Поэтому представляет интерес определение температурной зависимости длины распространения ПЭВ, которая связана только с изменением фононной концентрации. Дополнительно, зная температурную зависимость длины затухания ПЭВ, можно расчетным образом определить температурную зависимость ПС - величину, экспериментально трудно поддающуюся измерению другими методами. Ее знание необходимо для прогнозирования функционирования металлооптики мощных лазерных комплексов среднего ИК диапазона, характера взаимодействия лазерного излучения с металлами.

Распространение ПЭВ вдоль гладкой границы раздела характеризуется комплексным волновым вектором, его действительной и мнимой частями, связанными, соответственно, с фазовой скоростью и длиной распространения ПЭВ. Известные методы определения фазовой скорости ПЭВ сложны из-за малого отличия фазовой скорости света и ПЭВ в среднем ИК диапазоне. Нами предложена гетеродинная методика определения фазовой скорости, в которой объемное излучение направляется по пути распространения ПЭВ, и эти волны интерферируют.

Хорошо известно, что при возбуждении ПЭВ лазерным излучением (решетка, геометрия Кречмана) коэффициент отражения излучения уменьшается. Менее известно о существовании слоистых пленочных систем (например, пар металлов), в которых реализуется минимум отражения. С целью увеличения чувствительности сенсоров на ПЭВ, представляет интерес поиск реального металла, для которого в геометрии Кречмана в некотором спектральном диапазоне реализуется максимум отражения.

Реальные среды, в отличие от модельных, часто обладают зависящим от расстояния от границы свойствами, в частности, поверхностно-активные среды. Представляет интерес рассмотрение границ раздела двух полубесконечных сред, когда ПАС имеет пространственно зависящую диэлектрическую проницаемость экспоненциального вида. Аналогичная ситуация интересна и для случая ПП в цилиндрической геометрии.

Особый интерес представляет недавно обнаруженный эффект флуктуации локальной плотности состояний на поверхности неупорядоченной металлической пленки [10], приводящий к локализации света (оптический аналог Андерсоновской локализации).

Области современных исследований, где существенная роль принадлежит электромагнитным поверхностным возбуждениям, относится к физике конденсированного состояния, взаимодействию лазерного излучения с конденсированными средами, нанооптике. Исследования взаимодействия лазерного излучения (ЛИ) с материалами теплового и нетеплового характера остаются актуальными более 30 лет. Это обусловлено возрастающими потребностями и совершенствованием промышленных лазерных технологий нового поколения, потребностями создания материалов с новыми функциональными свойствами и возможностями реализации лазерно-управляемого формирования структур за счет процессов самоорганизации (самосборки). Современное развитие направления связано с появлением инструментария нового поколения -фемтосекундных и аттосекундных лазерных излучателей, современных зондовых микроскопов.

В следующем разделе приведен краткий анализ опубликованных в этой области экспериментальных работ, охватывающий результаты по длинным импульсам излучения (температура электронной подсистемы не отрывается от температуры фононной). Более подробные обзоры опубликованы в [11-13].

Обзор экспериментальных работ по формированию периодических поверхностных структур под действием лазерного излучения

Первое сообщение о наблюдении упорядоченного разрушения поверхностей полупроводниковых кристаллов (GaAs, InSb, InAs, InP, Ge,.) под действием излучения рубинового лазера было опубликовано М. Бирнбаумом в 1965 году [14]. Характерный период образующихся структур разрушения поверхности был приблизительно равен длине волны воздействующего излучения (Я). В [14] это явление не получило объяснения; высказано лишь предположение о влиянии на разрушение дифракции излучения на оправе фокусирующей линзы.

Заметно позднее, в 1973 году, одновременно с разработкой мощных импульсных СОг лазеров с поперечным разрядом при атмосферном давлении (TEA СО2 lasers) с длиной волны излучения Л-10.6 мкм, появился ряд работ, в которых описывались

10 поверхностные периодические структуры. Сиегрист с сотрудниками (Швейцария) наблюдал формирование регулярного рельефа при действии излучения высокой плотности мощности 1 ГВт/см ) на поверхности полированных металлов (медь, железо), а также на поверхности кварцевого стекла [15]. Эммони с сотрудниками (Англия) обнаружили разрушение германиевых эталонов [16-18], служивших выходными окнами в импульсных СОг лазерах, формировавшееся под действием большого количества (100 - 1000) импульсов. Они наблюдали формирование более сложного регулярного рельефа, представлявшего собой наложение двух линейных взаимно ортогональных периодических структур с различными характерными масштабами и показали, что период ((¡) крупномасштабных структур зависит от угла падения лазерного излучения (0): = —— • (1-1)

Простая модель, предложенная авторами для объяснения угловой зависимости периода структур, включала интерференцию падающего лазерного излучения и излучения, рассеянного микронеровностями поверхности в направлении вдоль нее. В подтверждение своей гипотезы они провели эксперимент по воздействию лазерного излучения на поверхность полупроводника с нанесенной царапиной {вФ 0°). Формирование слева и справа от царапины рельефа с периодами, соответственно, ¿Г и ¿/+, рассматривалось как подтверждение предложенного объяснения.

Период мелкомасштабного рельефа не был постоянен и изменялся от 1.4 до 2.1мкм. В качестве модели, рассмотренной авторами, предполагалось, что мелкомасштабные структуры образуются в результате сфазированных колебаний ближних полей диполей, представляющих собой поверхностные области с повышенной концентрацией электронной плотности (царапины, трещины, дефекты). Сильное электрическое поле вызывает лавинное нарастание плотности свободных электронов, и, следовательно, температуры таких локальных областей, что приводит к их плавлению.

При изучении кинетики изменения зеркального коэффициента отражения (¡г) металлических поверхностей под действием интенсивного лазерного излучения (/I =

1.06 мкм) в [19] зарегистрировано аномально большое уменьшение я на меди. Был обнаружен обратимый периодический рельеф с ¿/«Я, который, согласно [19], давал незеркальный компонент излучения. По нашему мнению, формирование динамического поверхностного микрорельефа могло бы объяснить сильное уменьшение коэффициента отражения зеркальных алюминиевых поверхностей, подвергнутых воздействию импульсного излучения СОг лазера [20]; в зоне облучения был обнаружен остаточный периодический рельеф. В [21] наблюдалось образование аналогичного рельефа, а также

11 рельефа с периодом -40 мкм, в близких экспериментальных условиях (Я = 1.06 мкм), на поверхностях алюминиевых фольг. Приведенное объяснение причин образования рельефа было аналогично данному в работе [13].

Интересные экспериментальные результаты, не нашедшие физического объяснения, были получены при воздействии серии импульсов СОг ЛИ (длительность импульса т=1.7 не) на поверхность медного зеркала (Los Alamos Laboratory) [22]. Помимо эволюции, от импульса к импульсу, характерного пространственного масштаба микроструктур от 5 мкм до 1 мкм, наблюдалось падение динамической отражательной способности металлического зеркала [23].

Большое количество наблюдений регулярного микрорельефа было сделано при импульсном лазерном отжиге полупроводников [24 - 28]. Появление периодического рельефа характерно для большинства режимов импульсного лазерного отжига. Более того, оказалось затруднительным устранить возникающий регулярный рельеф. Он появлялся в широком диапазоне параметров воздействующего излучения - на длинах волн от среднего ИК-диапазона до 0.3 мкм при длительностях воздействия от непрерывного до 10"10 с [29-40]. Существенно отметить, что в этих экспериментах наблюдалась трансляция рельефа в определенном направлении [38], а также то, что период формирующегося рельефа при пороговых (для образования структур) интенсивностях излучения был заметно меньше длины волны света [39].

Как правило, работы, в которых сообщалось о формировании гофрированных поверхностей, носили лишь наблюдательный характер. Первое сравнительно подробное экспериментальное изучение условий образования рельефа на металлических поверхностях и Я = 10.6 мкм было выполнено Айсенором (Канада) [40]. Он обнаружил формирование регулярного поверхностного рельефа на зеркале из аморфного сплава NixPj-x с х = 0.3 (/? = 95% на /1 = 10.6 мкм), установленного в качестве отражающего в резонаторе импульсного СОг лазера. Периодический рельеф был обнаружен при действии /»-поляризованного (вектор электрического поля лежит в плоскости падения излучения) излучения и отсутствовал, если излучение было s - поляризованным, либо поляризовано по кругу. Первоначально периодические структуры возникали в областях максимальной плотности мощности излучения; постепенно, от импульса к импульсу, разрушение охватывало всю облучаемую зону. Интересно отметить, что в экспериментах наблюдалась стабилизация глубины (h) образующегося рельефа при hG =3 мкм. По мере углубления рельефа наблюдалось образование плазмы низкопорогового оптического пробоя воздуха вблизи зеркала, постепенно охватывавшей всю площадь разрушения. Эффект наблюдался только в окислительной атмосфере и отсутствовал в атмосфере инертных газов. С нашей точки зрения, последнее связано с характером разрушения сплава №ХР1Х> который, как известно [41], разлагается при повышенных температурах на никель и фосфор, а последний эффективно выводится из реакционной зоны при образовании летучих окислов. Эффект не наблюдался при действии излучения на заматированную мелкой наждачной шкуркой поверхность сплава. Зависимость периода образующихся структур от угла падения излучения приблизительно описывается соотношением (1.1), однако точное измерение периодов и использование лазерного излучения с перестройкой по длинам волн показало, что где Яизм~величина, определенная из эксперимента по формуле

1.1). В [40] отмечается, что в описанном явлении следует рассматривать не рассеянное вдоль поверхности излучение, а поверхностную волну, природа которой не уточняется.

В [42] исследовали фотоосаждение металла (цинка, кадмия, алюминия) на полированную поверхность полупроводника или стекла при резонансном фоторазложении металлоорганического газа коротковолновыми импульсами, либо непрерывным лазерным излучением, и обнаружили периодический рельеф с с1 < Я.

Темпл и Солье [43, 44] приводят данные ряда экспериментальных работ, в которых Я описано образование периодического рельефа с й? «— на выходных (на лицевой п поверхности излучение входит в пластину, на выходной поверхности - выходит из нее) поверхностях кристаллических материалов (для окон лазеров) для излучения с Я = 10.6 мкм (хлористый калий, хлористый натрий и др.), где п - показатель преломления кристалла. Предложено объяснение эффекта, основанное на модели индуцированного поляризационного заряда вблизи дефекта, поле которого быстро спадает с расстоянием от диполя и может интерферировать с полем падающей волны. Однако в такой модели отсутствовало объяснение экспериментального факта: рельеф наблюдался только на выходной поверхности пластины и его образование сопровождалось низкопороговым оптическим пробоем воздуха (вакуума) вблизи поверхности диэлектрика. Объяснение эффекта, основанное на участии поверхностных поляритонов, было дано в [45].

Впервые идея об интерференции полей поверхностных поляритонов и лазерного излучения для объяснения возникновения периодического рельефа (поляритонная модель) была изложена в 1981 году в [46*, 47*]. Она основана на том, что поле поверхностного поляритона, представляющего собой фотон, связанный с одним из элементарных возбуждений конденсированной среды, в силу этого имеющий компонент электрического поля вдоль направления своего распространения, интерферирует с падающим излучением даже при нормальном падении. Позднее и независимо идея была высказана Аксеновым

13

48,49], Эрлихом и Бруеком [50], Каэлманом й Баем [51], а также группой сотрудников ИОФ АН СССР [52]. В нашей работе [47*] было показано, что формирование периодического рельефа на полупроводниках связано с их металлизацией при плавлении и наблюдается только на полупроводниках, плавящихся по типу полупроводник-металл. Аналогичные соображения были высказаны Эрлихом и Бруеком [50, 53].

В [47 ] было предложено объяснение формирования периодического рельефа на поверхности кварцевого стекла, заключающееся в том, что на длине волны излучения СО2 лазера в кварцевом стекле возможно возбуждение поверхностных фонон поляритонов (в области полосы остаточных частот). Эта точка зрения получила экспериментальное подтверждение в работе Каэлмана и Бая [51]. Исследование образования периодического рельефа на кварцевом стекле под действием излучения с Я = 10.6 мкм, выполненные в [54], в отличие от аналогичной работы [51], трактуется на основе интерференции падающего и рассеянного излучений.

Однако в ряде публикаций были предложены и другие модели. Сайп и соавторы, учитывая, что эффект наблюдался на материалах широкого класса - металлах, полупроводниках и диэлектриках, предложили модель [55], основываясь на концепции "остаточного излучения" ("remnant radiation"), обусловленного наличием дефектов и микронеровностей в тонком приповерхностном слое материала. В отличие от модели [47*], в которой необходимо выполнение условий на существование поверхностных плазмон поляритонов, в теории «остаточного излучения» нет ограничений на величины диэлектрических проницаемостей граничащих сред. Но уже в [56] авторы соглашаются с тем, что для металлов и расплавов полупроводников справедлива поляритонная модель. Тем не менее, они считают, что в случае локального плавления поверхности полупроводника реализуется модель «остаточного излучения». В подтверждение своей точки зрения они приводят результаты экспериментов по плавлению поверхности полупроводника при низких и высоких интенсивностях лазерного излучения [57], подтверждаемые численными расчетами.

В 1982 году появилась теоретическая работа Сиегмана с соавторами, где, как и в ранних работах по периодическим структурам, рассматривается интерференция излучения, рассеянного вдоль поверхности под скользящими углами, с падающим лазерным излучением. Предполагается, что случай рассеяния строго вдоль поверхности, то есть в поверхностные поляритоны, ничем не выделен. Соотношения для периодов формирующихся структур (1.1), приводимые авторами [58], считаются выполняющимися лишь приближенно. Близкая точка зрения высказана и в работе J1.A. Болыпова, A.M. Дыхне и др. [59].

Отметим, что в [59] при плотностях мощности излучения меньше пороговых для формирования структур с ¿/«Я, как и в [16], наблюдалось образование Л мелкомасштабного « —, 1 = 10.6 мкм) рельефа. п

В некоторых экспериментальных работах [58, 60*] на поверхностях полупроводников, наряду с рельефом, обусловленным интерференцией ПП и лазерного излучения, был обнаружен периодический и непериодический рельеф, который не объясняется в рамках поляритонной модели, например, рельеф, представляющий собой набор структур с изменяющимся, в зависимости от плотности мощности излучения, периодом. Для их объяснения был предложен механизм, аналогичный механизму [58], учитывающий дифракцию света на микронеровностях поверхности полупроводника с сильно изменяющейся в процессе воздействия диэлектрической проницаемостью 11е £(г = 0) > -1 [61].

В ряде работ изучалась кинетика формирования периодического рельефа за импульс воздействующего излучения [62]. Было достоверно показано, что образование периодического рельефа обязательно сопровождается плавлением поверхности полупроводника. Кроме того, при высоких интенсивностях излучения был обнаружен необычный вид сигнала дифракции зондирующего излучения, соответствующего поверхностному рельефу. После окончания импульса наблюдалось уменьшение сигнала и последующее нарастание [62]. На поверхностях жидких металлов сигнал дифракции был почти на 100% промодулирован с частотой 1 МГц. Этот процесс интерпретирован как «стимулированное рассеяние в капиллярные волны и поверхностные поляритоны» [63].

В работе [64] развита теория вынужденной генерации поверхностных акустических волн (ПАВ) при действии лазерного излучения на поглощающие конденсированные среды. Предполагалось, что возбуждение релеевских ПАВ может быть ответственным за возникновение обратимого или необратимого поверхностного рельефа. Авторы отмечают, что возбуждение ПАВ по предложенному механизму возможно не только в ПАС, но и в среде с произвольным значением диэлектрической проницаемости.

Наряду с участием ПП в процессах силового разрушения поверхностей конденсированных сред было предложено рассматривать волноводные моды [46*]. Их интерференция с падающим излучением, как показано в [47*], приводит к образованию Я периодического рельефа с ¿/ = — на поверхностях полупроводников. При этом п образование волноводной структуры было обусловлено термически индуцированным изменением приповерхностного слоя полупроводника.

Нами наблюдалось образование периодического рельефа с с1« Л на поверхности меди, покрытой тонкой окисной пленкой (/г~ (500 - 600) А) на длине волны излучения Л =0.53 мкм. Был сделан вывод о возбуждении волноводных мод (ВМ) [65*].

Экспериментальные результаты по наблюдению периодического рельефа на поверхности арсенида галлия при однопучковом влажном травлении лазерным излучением с энергией кванта, большей ширины запрещенной зоны [66], включали интересную интерпретацию явления [67], заключающуюся в создании волноводной структуры за счет обогащения приповерхностного слоя травителя ионами галлия.

В [68] описывается образование фотоиндуцированной решетки в волноводной структуре стекло-А§С1-серебро, штрихи которой формировались из мелких гранул серебра.

Некоторые из опубликованных экспериментов по наблюдению периодического рельефа на поверхностях конденсированных сред ввиду неполноты экспериментальных данных трудно однозначно интерпретировать. Особенно это касается опытов по воздействию интенсивного ЛИ на среды, которые при этом могут приобретать поверхностно-активные свойства. Так, например, сообщалось [69] об индуцировании необратимых изменений диэлектрической проницаемости двуокиси ванадия, как при пикосекундном, так и при наносекундном воздействии излучения АИГ:Ш3+ лазера. Несколько необычной была величина разброса периодов для каждого данного М направления решетки, по оценкам составляющая — ~ 0,1, то есть на порядок выше по с1 сравнению с экспериментами по формированию ППС на металлах либо полупроводниках [60*].

Отметим, что в теоретической работе [70] был рассмотрен нелинейный по полю процесс вынужденного рассеяния на поверхностных волнах (ПВ) для не диссипативных или идеально проводящих сред, где механизм раскачки был обусловлен световым давлением.

Из краткого обзора работ следует, что отсутствие систематических и всесторонних исследований лазерно-индуцированного формирования ППС, особенно в идентичных условиях, затрудняет сравнение отдельных результатов с теорией, а тем более выбор в пользу той или иной модели его формирования. Это связано также, как видно из обзора, с отсутствием единой картины (модели) формирования ППС различной ориентации и периода.

Наряду с поверхностными поляритонами, характерный латеральный масштаб локализации которых намного больше длины волны, во взаимодействии ЛИ с поверхностью и объемом конденсированных сред могут сказываться эффекты, связанные с локальными поверхностными плазмонами (ЛПП). Характерный масштаб локализации их

16 полей намного меньше их длины волны. В последнее время пристальное внимание привлекают явления, связанные с увеличением интенсивности оптических процессов вблизи шероховатой поверхности металлов, например, гигантское комбинационное рассеяние (ГКР) света. Сравнительно недавно из множества моделей был выделен механизм, позволивший наиболее полно объяснить особенности поверхностного усиления оптических процессов. Это локальное усиление электрического поля внешней волны в области сильного искривления поверхности или в частицах металла, обусловленное возбуждением локальных поверхностных плазмонов. Эффект проявляется в увеличении до 104 раз сечения комбинационного рассеяния молекул на поверхности металла [71]. Кроме ГКР, эффект усиления, связанный с наличием на поверхности металла молекул, проявляется в гиперкомбинационном рассеянии, увеличении ИК - поглощения и люминесценции, а также в усилении генерации второй гармоники от таких поверхностей. Локальное усиление поля влияет и на процессы, не связанные с наличием молекул на поверхности - генерацию второй гармоники на шероховатых поверхностях.

ЛПП привлекались также для предсказания и объяснения ряда процессов, традиционно относящихся к тематике нерезонансного взаимодействия излучения с конденсированными средами. Так, в [72] был предложен механизм разрушения поверхностей полупроводников ЛИ, включающий образование метастабильных капель электронно-дырочной жидкости с плотностью порядка металлической, и последующее поглощение энергии этими каплями с возбуждением ЛПП. Предложенный механизм можно рассматривать как предшествующий формированию обычных ППС при пикосекундном воздействии на полупроводники. Предложенный в [72] механизм разрушения поверхностей полупроводников основан на возбуждении в металлизированных наночастицах ЛПП.

В [73] было высказано предположение о том, что эффект усиления электрического поля при возбуждении лазерным излучением ЛПП может оказывать влияние на низкопороговый оптический пробой воздуха (НОП) вблизи металлических поверхностей. Это предположение аналогично высказанному ранее о влиянии усиления поля НОП при генерации ППП [61*]. В последнем случае основной трудностью в объяснении НОП при воздействии излучения средней ИК области являлось сравнительно небольшое, по отношению к видимой области спектра, усиление поля, и поэтому отсутствие источника, поставляющего затравочные электроны.

Интересно отметить работу [74], в которой показано, что повышенная электронная эмиссия с поверхности золота, наблюдавшаяся при действии импульсов СОг лазерного излучения (0.06 - 4) ГВт/см2, не может быть объяснена ни многофотонным фотоэффектом, ни термоэмиссией при локальном разогреве поверхности.

В раде экспериментальных работ была обнаружена генерация гигантского тока при облучении импульсами наносекундного лазерного излучения жгутов нанотрубок (см., например, [75]). В [76] предложена теория для объяснения эффекта генерации гигантского тока в металлических нанопроводах, а сам эффект рассматривался как нерезонансный. В геометрии Кречмана в резонансе была обнаружена генерация тока. Эти разрозненные эффекты долгое время не находили физического объяснения и могут быть объяснены с единой точки зрения - с использованием явления генерации поверхностных плазмон поляритонов и увлечения ими электронов.

Приведенный обзор и анализ экспериментальных и теоретических рабат, посвященных взаимодействию лазерного излучения с конденсированными средами, позволяет сделать следующее заключение:

До появления наших публикаций совершенно не возникал вопрос о возможности участия ПП в силовом воздействии ЛИ. Предположение об определяющей роли частичного преобразования ЛИ в ПП и волноводные моды (ВМ) было высказано нами совместно с М.Н. Либенсоном для объяснения образования на поверхностях конденсированных сред периодических структур при нагреве лазерным излучением [46]. В разработку этой идеи большой вклад внесен также В.П. Аксеновым, Эрлихом и Бруеком, Сиегманом и Фурчетом, Каэлманом и Е.А.Виноградовым, группами В.А. Сычугова и Дж. Сайпа. Следует выделить существенный вклад в теорию этого вопроса, сделанный A.B. Кацем и В. В. Масловым, В.И. Емельяновым и В.Н. Семиноговым, Л.А. Большовым и А.М. Дыхне, П.С. Кондратенко и Г.М. Гандельманом.

Впервые в 1981 году нами была предложена качественная физическая модель разрушения границы раздела сред, одна из которых является поверхностно - активной (на границе раздела с которой возможно существование поверхностных поляритонов), либо приобретает это свойство в процессе воздействия ЛИ, основанную на возбуждении поверхностных поляритонов и их интерференции с падающим излучением с образованием регулярных структур разрушения поверхности [46*, 47*]. Позднее ее стали называть универсальной поляритонной моделью [77]. Поскольку волноводные моды имеют свойства, близкие к ППП, они также включаются в поляритонную модель. Их возбуждение в исходных либо индуцированных лазерным излучением волноводных структурах также приводит к формированию структур с периодами порядка XI п, где п — показатель преломления среды. Вместе с тем, набор периодов структур, формирующихся в различных условиях в результате воздействия излучения, оказался удивительно богатым

18 по сравнению с приведенной упрощенной схемой интерференции; он также зависел от условий'воздействия, материала, параметров лазерного излучения, и часто не укладывался в предложенную модель, что требовало проведения дополнительных исследований.

За последние 15 лет появилось значительное количество экспериментальных данных о специфическом характере разрушения объема и границ раздела конденсированных сред с существенно различными физическими свойствами под действием импульсов поляризованного лазерного излучения ультракороткой длительности. С появлением первых экспериментальных результатов по взаимодействию линейно поляризованного ЛИ фемтосекундной длительности на конденсированные среды стало ясно, что набор формирующихся структур гораздо богаче, чем в случае длинных импульсов, а регулярные структуры образуются в конденсированных средах с существенно различными свойствами (металлы, полупроводники, диэлектрики), в том числе в объеме конденсированной среды. Периоды наблюдаемых структур изменялись в большом диапазоне длин, от 30 нм до величин порядка нескольких длин волн воздействующего излучения, в зависимости от типа материала, плотности мощности лазерного излучения, поляризации излучения, угла падения, прозрачности материала. Первые эксперименты по наблюдению формирования резонансных периодических микроструктур с использованием ЛИ фемтосекундной длительности были проведены на графите [78]. Был установлен механизм их образования, основой которого является универсальная поляритонная модель. Однако вопрос о том, каким образом осуществляется материальная запись структур, в [78] не обсуждался. В более поздней работе [79] возбуждение поверхностных плазмон поляритонов на поверхностях металлов связывалось с процессами параметрического преобразования лазерного излучения, в [82] -с полярйтонной моделью без каких-либо комментариев.

В ряде работ (см., например. [81 -83]) было обнаружено образование наноструктур показателя преломления в объеме широкозонных диэлектриков под действием серии импульсов линейно поляризованного излучения фемтосекундной длительности. Для воздействия на кварцевое стекло были предложены две модели: а) модель интерференции падающего ЛИ и возбуждаемой акусто-плазменной волны в объеме стекла [83]; б) модель возбуждении локализованных поверхностных плазмонов и разрушении их полем локальных областей в объеме стекла [84].

Почти одновременно с нашими публикациями [85*-89*] была предложена волноводная модель для объяснения экспериментально наблюдавшегося формирования периодических решеток (£ ) с А«Х, £±Ё,, на поверхности кремния [90]. Здесь Ё, тангенциальная проекция вектора напряженности электрического поля ЛИ на поверхность

19 полупроводника. Модель включала новый оригинальный подход, связанный с обеднением тонкого приповерхностного слоя металлизированного кремния электронами за счет их эмиссии (в воздух, вакуум), и увеличением его показателя преломления. Поскольку наиболее добротными модами волновода являются моды ТЕ типа, это бы объяснило экспериментально наблюдавшуюся ориентацию сформированных структур.

Еще одной нелинейной моделью, которая могла бы объяснить формирование микроструктур под действием поляризованного ЛИ фемтосекундной длительности сравнительно высоких плотностей энергий ((1 - 8) Дж/см2) является модель [91], основанная на учете эмиссии электронов в вакуум и образовании приповерхностного слоя пространственного заряда электронов, параметрической раскачке этого слоя с возбуждением двух поверхностных плазмон поляритонов с взаимопротивоположными направлениями распространения, и их интерференции с образованием стоячей волны с d~A,!2. Вопрос о механизме материальной записи структур, реализованных в виде пространственно промодулированного слоя неравновесных электронов, в [91] не обсуждался. Позднее коллектив авторов отказался от модели параметрической раскачки слоя электронов, предлагая однопучковое образование решетки электронной плотности [92], аналогичное рассмотренному в универсальной поляритонной модели.

Одной из отличительных особенностей ультракороткоимпульсного воздействия является наблюдающееся наноструктурирование поверхности - образование упорядоченных остаточных структур с характерным пространственным масштабом s «Л, в отличие от тенденций, известных для режимов воздействия длинных импульсов лазерного излучения на конденсированные среды. Одним из подходов к объяснению явления наноструктурирования является сполляция (spallation), предложенная В.В. Жаховским и др. [93], но она оказалось не в состоянии объяснить регулярный, пространственный масштаб « Я, поляризационную зависимость структур и характерна для более высоких плотностей мощности воздействующего изучения. Заметим здесь, что в рассматриваемых режимах воздействия при плотностях мощности (Ю10 - 1013) Вт/см2 следует учитывать эмиссию электронов с границ раздела сред, особенно металлов.

В стандартных условиях воздействия ЛИ использовалось линейно поляризованное излучение. В недавней работе [94] было использовано излучение с более сложным состоянием поляризации: азимутальным и радиальным (см. также [95-97]). Это приводило к формированию более сложного упорядоченного рельефа разрушения, причина образования которого фактически не установлена. Авторы [96] говорят о векторной структуре световой волны.

Краткий анализ публикаций в области механизмов и моделей фемтосекундного лазерно-индуцированного разрушения конденсированных сред показывает, что ранее предложенные модели не носят общего характера, относятся лишь к конденсированным средам с идентичными физическими свойствами и не могут универсальным образом объяснить всю совокупность наблюдаемых экспериментальных результатов.

Таким образом, к моменту постановки работ по изучению фемтосекундного воздействия лазерного излучения на конденсированные среды, был предложен электродинамический механизм формирования структур на металлах; для полупроводников и диэлектриков он не был установлен. Отметим, что основными препятствиями на пути расширения границ применимости поляритонной модели на диэлектриках и полупроводниках являлось, с нашей точки зрения: а) наблюдение новых структур, дополнительно к структурам с периодами, которые предсказывала старая поляритонная модель; б) процесс интерференции излучений идет во время длительности импульса ЛИ (десятки, сотни фс), а процесс записи результата интерференции - через существенно больший промежуток времени после этого, t»1 пс. Дополнительные трудности вызывало формирование не только решеток структур с ориентацией, предсказываемой старой поляритонной моделью, но и ортогональных им решеток. Поэтому возникла необходимость разработки более общего подхода, для интерпретации массива накопленных разрозненных экспериментальных данных по воздействию импульсов ультракороткой длительности на конденсированные среды с существенно различными физическими свойствами.

Выделим следующие основные недостатки предложенных моделей.

1. Каждая из предложенных моделей предназначена для сред с близкими физическими свойствами.

2. Для объяснения периода в модели [83] рассматривалась взаимная интерференция поверхностных плазмонов, нераспространяющихся возбуждений.

3. Модель интерференции падающего и рассеянного излучений, как было показано еще в рамках старой поляритонной модели, не объясняет всей совокупности экспериментальных данных [98].

4. Модель параметрического преобразования лазерного излучения в два поверхностных плазмон поляритона [99] предсказывает образование структур лишь с периодом порядка А./2; отсутствует теоретическая оценка интенсивности излучения, при которой наблюдается параметрическое преобразование, ее сравнение с экспериментами. Отсутствует механизм, посредством которого должна осуществляться «фиксация» структур на поверхности металла.

5. В модели сильной нелинейности, предложенной в [100] и основанной на уравнении

Курамото-Сивашинского, используется источник непрерывного излучения, что существенно отличается от реализуемого в экспериментах взаимодействия с полупроводниками серии импульсов фемтосекундной длительности. 6. В модели [101] рассматривается возбуждение поверхностных плазмон поляритонов на второй гармонике на периодической границе раздела, но не рассматривается возникновение Елоховских волн поверхностных плазмон поляритонов.

На протяжении десятка лет известны экспериментальные результаты по формированию латеральных направленных пучков релятивистских электронов, формируемых под действием р- поляризованного излучения лазеров с плотностями

20 2 мощности порядка 10 Вт/см [102]. Предложенные феноменологические модели не объясняют микроскопической физической картины явления. При этом важно, что электронный пучок на миллиметры выходит за пределы зоны воздействия лазерного излучения. Нами предлагается упрощенная микроскопическая картина явления, основанная на генерации мощных поверхностных плазмон поляритонов.

Диссертация основана на двух статьях по работам автора [103, П4.35], и совместно с М.Н. Либенсоном, A.M. Бонч-Бруевичем, Ю.И. Пестовым, P.C. Макиным, В.Е. Приваловым, В.В. Баженовым, С.Д. Пудковым, Е.И. Логачевой. Автору принадлежит постановка и теоретическое обоснование поляритонной модели, нелинейной математической модели для описания структур разрушения, модели формирования релятивистского электронного пучка, модели анизотропной рекристаллизации, физических моделей формирования структур. Автором указаны основные пути решения задач, поставленных в работе, разработана методология экспериментальных исследований. Теоретические исследования дисперсионных соотношений ЦПП выполнены под его руководством совместно с Е.И. Логачевой и Д.С. Смирновым. Остальные теоретические исследования выполнены лично автором. Эксперименты проводились при его непосредственном участии и ведущей роли на стадии анализа и интерпретации результатов. При непосредственном участии автора создано использованное в работе оборудование стенда «КМС-ЛВ».

Укажем также на сопутствующие результаты, не вошедшие в текст диссертации: создание опытного образца спекл-виброметра лазерного дистанционного (порог чувствительности по перемещению 5 нм на дистанции 20 метров), серию работ по направлению лазерная термохимия, включая эффекты совместного действия лазерных излучений, лазерное воспламенение металлов, вакансионно-химический механизм формирования микроструктур на поверхностях металлов, эффект изменения поглощательной способности металла при растворении в скин-слое газов, лазерно-управляемое

22 формирование наноострий конического типа на поверхностях металлов и полупроводников, изобретения по созданию металлических зеркал, измерение малых величин коэффициентов поглощения и определение лучевой стойкости элементов ИК кристаллооптики.

Основные результаты и структура диссертации

Целью настоящей работы является развитие и обоснование, экспериментальное и теоретическое, теории взаимодействия силового лазерного излучения с конденсированными средами с существенно различными физическими свойствами для широкого диапазона длительностей лазерного излучения (от непрерывного до фемтосекундных длительностей), включающее следующие (задачи) этапы исследования:

1. Выбор и разработка единой универсальной качественной физической модели процесса формирования упорядоченных структур в объеме и на поверхности конденсированных сред с участием поверхностных поляритонов.

2. Разработка нелинейной математической модели образования множества периодов микро- и наноструктур на поверхностях и в объеме конденсированных сред при воздействии поляризованного лазерного излучения в условиях возбуждения поверхностных поляритонов или волноводных мод под действием длинных или ультракоротких импульсов излучения.

3. Разработка и обоснование качественных физических моделей формирования упорядоченных структур (рельефа) в различных лазерно-индуцированных трехслойных структурах в условиях возбуждения ППП.

4. Экспериментальное доказательство следующих основных положений (расширенной) универсальной поляритонной модели:

- в образовании регулярных микро- и наноструктур участвует не рассеянное лазерное излучение, а поверхностные поляритоны и (или) волноводные моды;

- в интерференционных процессах, приводящих к формированию микро- и наноструктур, участвуют Елоховские (пространственные) гармоники ППП;

- фундаментальной особенностью ультракороткоимпульсного воздействия лазерного излучения на конденсированные среды является формирование упорядоченных наноструктур с характерным периодом, существенно меньшим величины дифракционного предела;

- доказательство формирования структур в объеме полупроводника.

5. Исследование процесса лазерно-индуцированного формирования анизотропных зерен термической рекристаллизации и квазипериодической решетки канавок термического травления на поверхностях металлов, ориентированных поляризацией падающего излучения и разработка качественной физической модели процесса.

6. Анализ, разработка и обоснование качественной физической модели процесса генерации релятивистских латеральных пучков электронов при взаимодействии р-поляризованного лазерного излучения с плотностями мощности порядка Ю20 Вт/см2 с металлами.

7. Разработка экспериментальных методик определения оптических характеристик металла, включая поглощательную способность, с использованием экспериментальных измерений волнового вектора ПЭВ. Определение аналитической связи между оптическими характеристиками металла и действительной и мнимой частями волнового вектора ПЭВ, связи между температурной производной поглощательной способности и температурной производной коэффициента затухания ПЭВ. Разработка экспериментальных методов определения компонент волнового вектора ПЭВ и расчетно-экспериментальных методик определения ПС и ее температурной производной.

8. Изучение дисперсионных свойств ППП границ раздела сред с пространственно неоднородной диэлектрической проницаемостью поверхностно-активной среды в плоской и цилиндрической геометриях.

9. Разработка и обоснование способов повышения эффективной поглощательной способности поверхностей конденсированных сред, основанных на возбуждении лазерным излучением поверхностных поляритонов и диссипации их энергии в среде. Разработка методов структурирования границ раздела сред на основе принципов самоорганизации (самосборки) с целью изменения их функциональных свойств.

Автор защищает следующие положения: 1. Универсальная поляритонная модель лазерно-индуцированного разрушения конденсированных сред, справедливая для диэлектриков, полупроводников и металлов в широких диапазоне длительностей излучения, вплоть до фемтосекунд, и диапазоне плотностей мощности до 1014 Вт/см2. Модель основана на участии в интерференции поверхностных поляритонов. На ее основе предложена физическая интерпретация явлений динамического изменения поглощательной способности и образования упорядоченных микроструктур с £ Е1 , в том числе:

• мелкомасштабных структур (¿/ «Л) на поверхностях металлов, имеющих металлоподобные окислы и в условиях образования металлической плазмы низкопорогового приповерхностного оптического пробоя;

• мелкомасштабных структур (d

• наноструктур показателя преломления в цилиндрических микроканалах 4Н SiC;

• микроструктур рельефа, картина дифракции Фраунгофера которых имеет симметрию вращения шестого порядка относительно нормали к поверхности (111) германия;

• наноструктур рельефа вдоль гребней основного резонансного рельефа.

2. Нелинейная математическая модель на основе унимодального логистического отображения, обобщенная на случай порядка Шарковского, объясняющая разнообразие кратных длине волны лазерного излучения упорядоченных микро- и наноструктур^ образующихся в конденсированных средах (плазме, электронном газе) под действием линейно поляризованного лазерного излучения в условиях возбуждения поверхностных поляритонов и волноводных мод. Модель объясняет образование регулярных структур с периодами, много меньшими величины дифракционного оптического предела и допускает обобщение на случай нестандартной поляризации излучения - азимутальной, радиальной.

3. Качественная физическая модель генерации релятивистских латеральных пучков электронов при взаимодействии р - поляризованного лазерного излучения 20 2 мощностью ~ 1(Ги Вт/см с металлической мишенью, основанная на возбуждении мощной волны поверхностных плазмон поляритонов и увлечении ею электронов слоя пространственного заряда. Модель объясняет генерацию направленных пучков релятивистских электронов при облучении цилиндрической металлической мишени лазерным излучением.

4. Результаты экспериментальных исследований, в которых обнаружена анизотропия роста зерен на поверхности металла, ориентированных поляризацией импульсного лазерного излучения, завершающаяся формированием квазирешеток канавок термического травления. Предложена физическая модель и дана интерпретация явления, основанная на возбуждении ППП, увлечении ими электронов скин-слоя и перемещении границ зерен под действием потока направленных электронов. Модель объясняет известные экспериментальные данные по генерации лазерным излучением направленных токов в системах с возбуждением ППП (геометрия Кречмана, тонкие пленки с решеточным возбуждением, жгуты металлических нанопроводов).

5. Физические принципы лазерно-индуцированной самосборки (самоорганизации) массива упорядоченных структур микро- и нанорельефа с плотностью < 109 см-2 на поверхностях металлов и полупроводников на основе интерференции с участием ППП.

6. Решение задач о существовании поверхностных поляритонов в плоской и цилиндрической геометриях на границе раздела диэлектрик - поверхностно-активная среда с экспоненциально пространственно изменяющейся диэлектрической проницаемостью и в слоистых структурах. Обнаружено возникновение максимума дисперсионной кривой.

7. Аналитическое соотношение, связывающее оптические характеристики металла и компоненты волнового числа ПЭВ для случая слабо аномального скин-эффекта. Установлено соответствие величин поглощательной способности, определенной по измеренному коэффициенту затухания ПЭВ, и полученной стандартным методом. Разработан метод экспериментальной гетеродинной ПЭВ интерферометрии для измерений фазовой скорости ПЭВ и плазменной частоты металлов.

8. Результаты экспериментальных исследований, в которых установлено, что с использованием экспериментально измеренной величины температурного коэффициента затухания ПЭВ (а) можно определить минимальную величину а для данного металла, обусловленную электрон-фононными столкновениями.

Все результаты работ по силовому воздействию ЛИ на конденсированные среды являются новыми и на достигнутом уровне развития получены впервые. Для проведения экспериментальных исследований использовался лазерный стенд «КМС-ЛВ» с широким по плотностям мощности и длинам волн излучения набором лазерных излучателей, стендовым и измерительным оборудованием, фемтосекундный лазерный излучатель на титан-сапфире, оптический и атомно-силовой микроскопы с встроенными программами обработки изображений. Использован рефлексометрический метод анализа дифракционных микроструктур. Разработка физических моделей процессов базировалась на знании свойств поверхностных поляритонов, знании параметрических режимов и особенностей процессов воздействия ЛИ на конденсированные среды, экспериментальной проверке разрабатываемых моделей. Анализ основывался на получении и анализе дисперсионных соотношений для ПП в системах, моделирующих экспериментальные ситуации.

Использовались одномерные отображения, позволяющие моделировать режимы в нелинейных средах, методы аналитического решения волнового уравнения, метод матрицы слоистых структур, методы численного решения дисперсионных уравнений.

В данной работе получили развитие и обоснование модели нелинейного взаимодействия поляризованного ЛИ с конденсированными средами с плотностями

26 мощности до 1014 Вт/см2, решен вопрос о причинах универсальности воздействия лазерного излучения на конденсированные среды с различными физическими свойствами в режимах ультракороткой длительности, вопрос о многообразии периодов образующихся структур и анизотропии свойств облученных областей, частично решен вопрос о причинах наноструктурирования сред УКИ излучением, указана микроскопическая причина формирования латеральных пучков релятивистских электронов под действием экзаватттного излучения на металлические мишени.

Разработанный экспериментально-методический аппарат может быть применен в технологии эффективной лазерной обработки конденсированных сред, разработке методов увеличения лучевой стойкости оптических элементов, устройствах сверхплотной записи информации, технологии фемтосекундной лазерной маркировки, создании новых функциональных элементов, приданию средам новых функциональных свойств, при объяснении эффектов генерации гигантского тока в металлически нанопроводах, технологии производства упорядоченных растров наноконусов, технологии получения наноструктур с периодами, много меньшими величины дифракционного предела.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах Перечня ВАК, приведенных в Приложении 4.

Диссертация состоит из введения, шести глав, четырех приложений, заключения и библиографии и содержит 384 страницы машинописного текста.

Заключение диссертации по теме «Оптика», Макин, Владимир Сергеевич

выводы

1. Экспериментально показано, что периодические структуры, образующиеся при действии непрерывного поляризованного лазерного излучения на поверхностях поверхностно-активных сред, связаны с возбуждение поверхностных поляритонов.

2. Экспериментально показано, что при действии р-поляризованного излучения из двух возможных периодов решеток реализуется та, которая формируется за счет интерференции с ППП, обеспечивающим фронтальный прогрев зоны воздействия и опережающую трансляцию периодического рельефа (например, к5 //г? при | |г?).

3. При сканировании линейно поляризованного излучения вдоль поверхности ПАС параметры следа воздействия (например, его ширина) зависят от угла между направлением сканирования х> и направлением наиболее эффективного возбуждения ППП. Максимальная ширина следа воздействия и максимальная эффективность воздействия реализуются при \\К Ну ; максимальная ширина и наиболее низкая эффективность воздействия реализуется при V / .

4. При Е1 //к[ | | V эффективность воздействия зависит от направления V (вф 0°). При V | | (—к[) след уже и температура в его центре выше, по сравнению с V \ | (/сс) . Это хорошо объясняется тем, что при формировании структур с й+ < Л отсутствуют потери на дифракцию падающей волны на регулярном рельефе в воздух, а при > Л они есть.

5. Экспериментально обнаружены пороговые по интенсивности лазерного излучения пульсации интенсивности свечения поверхности ПАС и отвечающие им изменения ширины следа воздействия. Обнаружены крупномасштабные вариации толщины окисной пленки. Обнаруженный эффект качественно объяснен с позиций самосогласованной трансляции и увеличения глубины периодического рельефа при увеличении интенсивности ПП в процессе сканирования излучения в условиях V / /к^ЦЁ[.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе дано экспериментальное и теоретическое развитие и обоснование теории взаимодействия силового лазерного излучения с конденсированными средами с существенно различными физическими свойствами для широкого диапазона параметров лазерного излучения. Впервые предложена, теоретически и экспериментально обоснована и развита идея об определяющей роли распространяющихся поверхностных электромагнитных мод в разрушении поверхности и объема конденсированных сред с существенно различными физическими свойствами поляризованным лазерным излучением в широком диапазоне длительностей излучения, от непрерывного до единиц фемтосекунд, и плотностей мощности до 1014 Вт/см2, сопровождающемся образованием упорядоченных структур и значительным изменением эффективной поглощательной способности (патент РФ № 2347739, А/с №1043929). Изучены возможности определения оптических характеристик металла по измерениям действительной и мнимой частей волнового числа ПЭВ. В результате были решены поставленные задачи, выполнены исследования широкого круга явлений и получены новые результаты, которые можно сформулировать в соответствии с защищаемыми положениями.

1. Получена аналитическая связь между оптическими характеристиками металла и компонентами волнового числа ПЭВ для случая слабо аномального скин-эффекта. Установлено хорошее соответствие величин поглощательной способности, определенной по измеренному коэффициенту затухания ПЭВ и полученной стандартным методом. Разработан метод гетеродинной ПЭВ интерферометрии для измерений фазовой скорости ПЭВ и плазменной частоты металлов (А/с №.1732291)

2. Установлено, что с использованием экспериментально измеренной величины температурного коэффициента затухания ПЭВ можно определить минимальную величину коэффициента затухания ПЭВ металла, обусловленную электрон-фононными столкновениями.

3. Решены задачи о существовании ПП в плоской и цилиндрической геометриях на границе раздела полубесконечных сред вакуум-поверхностно-активная среда с экспоненциально пространственно изменяющейся диэлектрической проницаемостью и в слоистой структуре. Показано наличие дисперсионных кривых с максимумом для малых по модулю отрицательных значений диэлектрической проницаемости металлоподобного слоя, так что на одной частоте возможно существование двух волн

ПП, причем для ветви с отрицательной дисперсией волновое число ПП может быть

326 много больше волнового числа световой волны в вакууме. Результаты для ЦППП получены впервые и могут быть использованы при создании приборов и устройств на ЦППП, в качестве волноведущих структур при генерации релятивистских пучков электронов, в устройствах со сверхплотной записью информации и управления световым излучением на субволновых пространственных масштабах.

4. Методом численного моделирования доказана реализация инвертированного резонанса - наличие максимума в коэффициенте отражения - на поверхностных плазмон поляритонах в геометрии Кречмана в видимом и ближнем ИК диапазоне, на палладии. Промоделировано применение обнаруженного эффекта для создания датчика малых концентраций водорода на палладии и показана на порядок большая чувствительность в резонансе фазовой методики регистрации сигнала по сравнению с методикой сдвига экстремума.

5. Предложена и обобщена на случай порядка А.Н. Шарковского нелинейная математическая модель на основе унимодального логистического отображения для объяснения разнообразия кратных длине волны лазерного излучения упорядоченных микро- и наноструктур, образующихся в конденсированных средах (на поверхности и в объеме) под действием линейно поляризованного лазерного излучения в условиях возбуждения поверхностных поляритонов и волноводных мод. Модель объясняет образование регулярных структур с периодами, много меньшими величины дифракционного оптического предела. Предложенная модель допускает обобщение на случай нестандартной поляризации излучения - азимутальной, радиальной, .

6. Предложена физическая модель структурирования гребней основного резонансного рельефа, в виде периодических структур, эволюционирующих в наноконусы или наностолбы, основанная на возбуждении и взаимной интерференции канальных поверхностных плазмон поляритонов. Модель дает один из вариантов упорядоченного наноструктурирования поверхности конденсированной среды УКИ поляризованного излучения с характерными пространственными масштабами -(10+100) нм.

Разработаны физические принципы формирования двумерных растров конических острийных структур с радиусом кривизны вершины (1 -5) нм и плотностью острий

109 см'2.

7. Экспериментально обнаружена и исследована анизотропия роста зерен на поверхности металла, ориентированных поляризацией импульсного лазерного излучения, завершающаяся формированием квазирешеток канавок термического травления.

Предложена новая физическая модель явления, основанная на возбуждении ППП, увлечении ими электронов скин-слоя и перемещении границ раздела зерен под действием потока направленных электронов. На основе данного подхода объяснены известные эксперименты по возникновению направленных токов в системах с возбуждением ППП (гигантские токи в металлических нанопроводах, тонкие пленки с решеточным возбуждением).

8. Разработана качественная физическая модель генерации релятивистских латеральных пучков электронов при взаимодействии р - поляризованного лазерного излучения с

20 2 плотностью мощности ~ 10 Вт/см с металлической мишенью, основанная на возбуждении мощной волны поверхностных плазмон поляритонов и увлечении ею электронов слоя пространственного заряда. Модель объясняет известные экспериментальные результаты для цилиндрических мишеней.

9. Экспериментально установлено образование лазерно-индуцированных упорядоченных структур разрушения полупроводника поляризованным лазерным излучением при:

- интерференции нерадиационных электромагнитных мод границ раздела с падающим излучением;

- участии в интерференции пространственных (Елоховских) гармоник ППП; участии в интерференции волноводных мод ТЕ типа термически индуцированного волновода (А/с № 1466136).

10. Разработаны качественные физические модели для объяснения экспериментальных результатов по образованию микроструктур рельефа под действием поляризованного лазерного излучения на поверхностях металлов, полупроводников и диэлектриков при возбуждении ПП: уменьшение динамической отражательной способности и формирование мелкомасштабных структур рельефа металлического зеркала под действием серии наносекундных импульсов излучения С02 лазера;

- мелкомасштабных структур рельефа на поверхностях металлов, имеющих металлоподобные окислы, под действием непрерывного и TEA С02 линейно поляризованного излучений;

- структур с d Ф Я / п на выходных поверхностях диэлектрических пластин с низким показателем преломления под действием излучения TEA С02 лазера;

- микроструктур рельефа под действием поляризованного по кругу пикосекундного излучения, картина дифракции Фраунгофера которых имеет симметрию вращения шестого порядка относительно нормали к поверхности (111) германия в условиях реализации низкотемпературного фазового перехода плавление поверхности (111) германия;

- наноструктур показателя преломления в объеме 4H-SiC под действием серии импульсов УКИ излучения в области прозрачности как результат интерференции мод ЦППП с противоположными направлениями распространения цилиндрического металлизированного микроканала;

- УКИ излучением с аксиально-симметричной поляризацией с образованием аксиально симметричных структур рельефа и показана роль кольцевых осесимметричных структур в дополнительной фокусировке радиально поляризованного излучения; фононных поверхностных поляритонов (независимо и одновременно с Ф. Кайлманом) с образованием решеток показателя преломления стекла и структур, обусловленные взаимной интерференцией поверхностных фонон поляритонов.

Рассматривая работу, в целом можно сделать вывод, что в ней решена важная научно-техническая и практическая проблема, связанная с дальнейшим теоретическим и экспериментальным обоснованием и развитием теории взаимодействия силового лазерного излучения с конденсированными средами с существенно различными физическими свойствами для широкого диапазона параметров лазерного излучения. Практическая реализация результатов выполненной работы возможна на основе ряда полученных изобретений (патентов, А/с), отраженных в различных главах диссертации, в Приложении 3 и Приложении 4.

Полученные в работе результаты используются в СПб Государственном Политехническом Университете при чтении лекций курса общей физики и спецкурса, в СПб Государственном университете информационных технологий, механики и оптики (ИТМО) - при чтении спецкурса по взаимодействию лазерного излучения с веществом, в Физическом институте РАН, Институте общей физики РАН, СПб ИТМО при проведении научных исследований. Материал диссертации, касающийся УКИ взаимодействия лазерного излучения с конденсированными средами, вошел в монографии: Trokhimchuck P.P. Foundations of Relaxed Optics. - Lutsk: Volyn' University Press "Vezha", 2011. - 627 p.; Trokhimchuck P.P. Nonlinear and Relaxed optical processes. Problems of interactions. - Lutsk: Vezha-Print, 2013. - 280 p.

Данная работа является логическим продолжением исследований, начатых в рамках научной школы член-корреспондента РАН A.M. Бонч-Бруевича.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Макин, Владимир Сергеевич, 2012 год

1. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред. Под ред. В.М. Аграновича, Д.Л. Миллса. М.: Наука. 1985. 526 с.

2. A.A. Maradudin. Surface waves. Festkoperprobleme. 1981 V.XXI. P.25-116.

3. В.М. Агранович, В.Л. Гинзбург. Кристаллопотика с учетом пространственной дисперсии и теория экситонов. 1984. М.: Наука. 356 с.

4. Electromagnetic surface excitations. Springer series in wave phenomena. Eds. R.F. Wallis, G.I. Stegeman.1986. V.3. 305 p.

5. M. Stockman. Nanoplasmonics: the physics behind the application. // Physics today. 2011. V.64. P. 39-44.

6. I.V. Novikov, A.A. Maradudin. Channel polaritons. // Phys. Rev. B. 2002. V. 66. P.035403.

7. B.B. Климов. Наноплазмоника. M.: Физматлит. 2009. 480 с.

8. Z. Osbay. Merging photonics and electronics at nanoscale dimensions. // Science. 2006. V. 311. P.189-193.

9. Дмитрук Н.П., Литовченко В.Г., Стрижевский В.П. Поверхностные поляритоны в полупроводниках и диэлектриках. Киев. Наукова Думка. 1989. 376 с.

10. C.A. Ахманов, В.И. Емельянов, Н.А. Коротеев, В.Н. Семиногов. Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность полупроводников и металлов: нелинейно-оптические эффекты и нелинейно-оптическая диагностика. // УФН. 1985. Т.147. Вып.4. С. 675-845.

11. А.Е. Siegman, P.M. Fauchet. Stimulated Woods anomalies on laser-illuminated surfaces. \\ IEEE J. Quantum Electronics. 1986. V.QE-22. P. 1384-1403.

12. Либенсон M.H. Оптические и термические процессы в конденсированных средах при лазерном воздействии. Докторская диссертация, Ленинград. 1986.

13. М. Birnbaum. Semiconductor surface damage produced by ruby lasers. \\ J. Appl. Phys. 1965. V. 36. № 11. P. 3688-3689.

14. M. Siegrist, G. Kaech, F.K. Kneubuhl. Formation of a periodic wave structure on the33016