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

УЖГОРОДСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

 

ХОМ'ЯК БОГДАН ЯРОСЛАВОВИЧ

 

Індекс УДК 533. 95 621. 373. 826

 

 

01. 04. 04 – фізична електроніка

 

 

Ужгород – 1999

 

Дисертацією є рукопис. 

Робота виконана в Ужгородському державному університеті Міністерства освіти України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, ст. н. с. Опачко Іван Іванович Ужгородський державний університет, професор кафедри електронних систем.

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Шафраньош Іван Іванович Ужгородський державний університет, професор кафедри квантової електроніки доктор фізико-математичних наук, ст. н. с. Кельман Володимир Андрійович Інститут електронної фізики НАН України, завідувач відділу квантової електроніки.

Провідна установа: Інститут фізики НАН України, відділ газової електроніки, м. Київ.

 

 

Актуальність теми. 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. Поява лазерів на самообмежених переходах і ефективних ексимерних лазерів поклали початок їх широкому застосуванню в наукових і технологічних експериментах.

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. Такий прилад дає змогу проводити мас-спектрометричний аналіз і одночасно візуалізувати на екрані із збільшенням ~104 область пробовідбору. При цьому можливе використання замість ЛПМ будь-якого іншого лазера на самообмежених переходах.

Взаємодія з поверхнею УФ випромінювання ексимерних лазерів, має свої особливості, оскільки з переходом в діапазон коротких хвиль пропорційно 3 зменшується оптична товщина лазерного факела і значно зростає коефіцієнт поглинання випромінюванння поверхнею. Це приводить до зростання ефективності випаровування опромінюваного матеріалу, значної активізації процесів збудження, іонізації і трансформації енергії лазерно-го випромінювання в ударні хвилі. Вищезгадані ефекти вносять свої особливості у фізику взаємодії лазерного випромінювання з поверхнею, а також технологічне і аналітичне застосування компонент лазерної плазми.

Можливості застосування ексимернних лазерів та лазерів на самообмежених переходах далеко не вичерпуються вищесказаним.

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.

Метою роботи є дослідження процесів утворення іонізованих компонент плазми, що виникають під дією на поверхню елементарних та складних мішеней імпульсно-періодичного лазерного випромінювання видимого та УФ діапазонів спектру густиною потужності 5 107 5 1011 Вт/см2.

Наукова новизна роботи полягає в тому, що:

– для швидкісної реєстрації відбивних властивостей опромінюваної мішені застосований активний елемент ЛПМ;

– виявлена кореляція між динамікою іонної емісії та зміною в часі відбивних властивостей області резонансної взаємодії лазерного випромінювання ( 308 нм) з поверхнею алюмінію;

– виявлені складні кластерні іони вуглецю, зумовлені ударними процесами на поверхні;

– виявлені нелінійні ефекти самофокусування випромінювання ЛПМ в лазерній плазмі, пов'язані з виникненням стійких просторових структур у фокальній плямі.

Практична цінність роботи.

1. Здійснене застосування лазерів УФ діапазону для пошарового мас-спектрометрич-ного аналізу з роздільною здатністю по глибині ~0, 01 мкм.

2. Запропонована методика збільшення чутливості лазерної мас-спектрометрії в 5 10 разів за допомогою резонансно-поглинаючої присадки до поверхні.

3. Реалізоване застосування імпульсно-періодичного випромінювання лазерів на самообмежених переходах для мас-спектрометрії.

4. У вигляді лабораторного макета реалізовано аналітичний прилад нового покоління – лазерний мас-спектрометр – проекційний мікроскоп.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційної роботи доповідались і обговорювались на: Європейській конференції взаємодії лазерного випромінювання з матерією: 21ECLIM-91б Варшава, 1991 р., V Інтернаціональному симпозиумі по фізиці іонізованого газу, Дубровник, Югославія 1990 р., XXVII Міжнародному колоквіумі з спектроскопії, Берген, Норвегія, 1991 р., III міжреспубліканському семінарі з фізики швидкоплинних процесів, Гродно, Беларусь, 1992 р., Супутній до 16-ї Міжнародної конференції з оптики, Печ, Угорщина, 1993 р., Національній конференції з фізики, Сібіу, Румунія, 1994 р., Міжнародній науковій конференції присвяченій 150-річчю від дня народження видатного українського фізика і електротехніка Івана Пулюя, Львів, Україна, 1995 р., XX-ій Міжнародній конференції з квантової електроніки IQEC 96, Сідней, 1996 р.

Публікації. Основні результати, викладені в дисертації, опубліковані в 19 друкованих працях, список яких приведено в кінці автореферату.