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

В мас-спектрах іонної емісії з поверхні графіту присутні молекулярні іони Сn+ (n = 2 60), часові затримки емісії яких по відношенню до лазерного імпульсу досягають значень 300 400 нс і свідчать про відповідальність ударних процесів в мішені за їх емісію.

Завдяки контрольним експериментам і застосуванню мас- спектрометричного комплексу з роздільною здатністю R 500 виявлений двохгорбий характер іонної емісії Al+, С5+, С6+.

На відміну від графітової мішені «двохгорбість» емісії Al+ викликана сильним радіаційним нагрівом поверхні плазмовим згустком, відповідальним за другий пік (менший за перший), ефект посилюється внаслідок резонансного поглинання Al лазерного випромінювання з 308 нм. Підтвердженням резонансного поглинання є збільшення виходу матричних іонів при добавці в неалюмінієву мішень алюмінієвої присадки, а також різні часові залежності відбивної здатності фокальної плями для алюмінієвої та графітової мішеней.

Для більш детального вияснення вкладу ударних процесів у формування мас- та енергетичних спектрів емітованих компонент крім масивних мішеней використовувались також тонкоплівкові мішені, які опромінювались як з фронтального так і з тильного боку. Відсутність часової структури в емісії Al+ при опроміненні з тильної сторони пояснюється тим, що внаслідок низької температуропровідності підкладки випаровується спочатку плівка по всій товщині, а далі можливий радіаційний підігрів з боку Al плазми діє тільки на підкладку, викликаючи емісію Si+, O+, H+. Це є додатковим підтвердженням ролі ударних хвиль в емісії компонент.

Очевидно «багатогорба» структура емісії Сn+ зумовлена ударними процесами, викликаними хвилею розвантаження в мішені під дією плазми, що розширюється. Підтвердженням цього є слідуючі факти:

а) двохгорбість емісії С5+, С6+ з інтервалом 300 400 нс, який згідно не можна пояснити пічковим характером іонної емісії;

б) відсутність двохгорбого характеру в емісії С+, С2+;

в) пороговий характер виникнення двохгорбості (поріг виникнення ударної хвилі) q > 5 108 Вт/см2;.

г) різке зменшення емісії С5+, С6+, С60+ при опроміненні тонкої плівки як з тильної так з фронтальної сторони (ударна хвиля після випаровування плівки по всій товщині виходить в очищену підкладку.

При опроміненні масивних мішеней і товстих плівок з фронту при q > 108 Вт/см2 енергії нейтральних компонент ~10 еВ в 5 10 разів нижчі іонних, що пояснюється прискоренням іонів у подвійному електричному шарі на границі згустка плазми.

Використання для мас-спектрометричного аналізу складу поверхні лазерного випромінювання УФ діапазону має свої переваги, оскільки в цьому випадку можливо реалізувати режим, в якому відсутній небажаний ефект «вибухового» випаровування, що особливо важливо при аналізі тонких плівок поверхневого шару в діапазоні товщин l 0, 1 мкм. При цьому для випромінювання XeCl-лазера ( 308 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. Середня степінь іонізації конденсату, що випаровується, в такому випадку на 1, 5 2 порядки перевищує степінь іонізації при опроміненні мішені випромінюванням ІЧ діапазону, що в поєднанні з низькими енергіями емітованих іонів дає змогу понизити концентраційну межу реєстрації домішок в 103 104 разів, довівши її до 10-8%.

Підвищення густини потужності лазерного випромінювання до q  (1 3) 108 Вт/см2 приводить до початку вибухового випаровування, супроводжується різким збільшенням (в 10 20 разів) товщини випаровуваного за імпульс шару, а також енергій емітованих за імпульс іонів, що приводить до погіршення роздільної здатності лазерного мас-спектрометра при відсутності енергоаналізатора. Аналіз енергетичних спектрів емітованих із «забруднених» мішеней іонів, отриманих при q = 5 108 Вт/см2 показав, що якщо при густинах потужності q = 3 107 Вт/см2 максимальні значення енергій, наприклад для Al, складають ~2 еВ, то при q = 5 108 Вт/см2 енергії іонів досягають десятків електронвольт.

При таких умовах опромінення разом з емісією додатніх іонів в мас-спектрах присутні від'ємні іони уворені внаслідок рекомбінаційних процесів у плазмі. Аналіз тривалості емісії цих компонент з допомогою аналізатора типу мас-рефлектрона дає значення тривалості ~100 нс, характерні для їх утворення в рекомбінуючій розльотній лазерній плазмі. Для алюмінієвої мішені енергії іонів Al+ в 2 рази перевищують енергії Al-, що вказує на вагомий внесок ( 50%) прискорення іонів Al+ електричним полем на межі плазмового згустку. Інші ( 50%) енергії додатніх і 100% енергії від'ємних іонів можуть бути набуті внаслідок газодинамічного та співударного механізмів в плазмі, що розширюється.

Таким чином дослідження резонансної і нерезонансної дії на мішень імпульсного лазерного випромінювання УФ діапазону дало можливість:

1. Застосувати квантовий підсилювач яскравості (КПЯ) на базі активного елемента лазера на парах міді для спостереження за областю дії лазерного випромінювання на поверхню з розділенням в часі ~25 нс.

2. Виявити складний механізм іонної емісії, викликаний радіаційним нагрівом мішені з боку плазмового згустку, а також ударними процесами в мішені.

3. Запропонувати застосувати іонну емісію під дією ударних хвиль як додаткове джерело