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

4. Оцінити принципові обмеження роздільної здатності лазерного часовопролітного мас-спектрометра.

У четвертому розділі представлені дані перших експериментальних досліджень емісії іонів, утворених при взаємодії випромінювання ЛПМ з поверхнею твердого тіла. Експерименти проводились з метою вияснення фізики основних механізмів іонізації та вивчення особливостей іонної емісії, які залежать від умов фокусування випромінювання ЛПМ на поверхню. Результати досліджень відкривають можливості більш широкого і ефективного застосування лазерів на самообмежених переходах в парах металів, в т. ч. в лазерній мас-спектрометрії.

Для проведення експериментів використовувався ЛПМ з параметрами: 510, 6; 578, 2 нм; середня потужність P = 16 Вт; частота слідування імпульсів fповт = 8 10 кГц, тривалість на напіввисоті л = 20 нс, який давав можливість отримувати на мішені густину потужності випромінювання q 5 1011 Вт/см2.

На відміну від дії на мішень більш високоенергетичних лазерів (неодимового та ексимерного) імпульсно-періодичне випромінювання ЛПМ викликає емісію низькоенергетичних компонент, що дає можливість суттєво спростити конструкцію мас-спектрометра, відмовившись від електростатичного селектора. При дії випроміню-вання ЛПМ на поверхню характерні густини плазмового згустку на 3 4 порядки нижчі, ніж при застосуванні неодимового лазера. Внаслідок цього ефект дебаївського екранування є незначним, що дає можливість ефективно діяти електричними полями на плазмовий згусток вже на початковій стадії розльоту.

Одночасно, високий коефіцієнт однопрохідного підсилення ЛПМ спричинює застосування його не тільки як інструмент для нагрівання та іонізації поверхні, але і в якості підсилювача яскравості, що дає змогу спостерігати за областю взаємодії випромінювання ЛПМ з поверхнею. При чому з початком застосування ЛПМ для іонізації поверхні з'явилась унікальна можливість сумістити в одному приладі лазерний мас-спектрометр та лазерний проекційний мікроскоп. Така система була створена і з її допомогою досліджувалясь іонна емісія з одночасною візуалізацією області та самого процесу пробовідбору. Застосовувались два активних елемента ЛПМ, один з яких випаровував та іонізував поверхню, а другий працював в режимі квантового підсилювача яскравості – швидкісного затвора з часовим розділенням 25 нс. При синхронному режимі роботи активних елементів ЛПМ є можливість візуалізувати деякі процеси, що відбуваються поблизу фокальноЇ площини фокусуючої лінзи. За допомогою створеної проекційної системи були проведені спостереження поверхні при t  10 мкс після дії нагріваючого лазерного випромінювання, оскільки утворена лазерна плазма стає практично прозорою з цього моменту часу. Скануючи затримку між імпульсами запуску нагріваючого і підсилюючого активних елементів проводилися спостереження поверхні мішені в міжімпульсний період, що дало можливість дослідити динаміку релаксації температури в цей період часу.

При збільшенні частоти слідування імпульсів випромінювання ЛПМ з постійною енергією починаючи з певної частоти відносний вихід іонів збільшується у 1, 5 2, 0 рази. При цьому синхронне спостереження процесу плазмоутворення в лазерний проекційний мікроскоп виявляє появу ниток самофокусування з підвищеною електронною температурою Te 10 12 еВ та концентрацією ne 5 1019 см-3. Такий ефект зв'язаний з встановленням локальних неоднорідностей температури поверхні, що самопідтримуються в міжімпульсний період, починаючи з деякої середньої температури, яка визначається частотою слідування імпульсів.

Цікавий ефект спостерігається при тривалій (~106 імпульсів) дії гостро сфокусованого на поверхню випромінювання ЛПМ з густиною потужності 1010 1011 Вт/см2. Характерною особливістю експериментів є те, що сфокусоване випромінювання попадає в одну і ту ж точку мішені. Наслідком цього є: а) утворення на мішені з плином часу (105 106 імпульсів) воронки; б) підтримування високої температури опромінюваної ділянки мішені в міжімпульсний період. Імпульсно-періодична дія характеризується тим, що в утвореній воронці в міжімпульсний період підтримується висока середня температура (2000 3500 С), яка залежить від середньої потужності (частоти слідування) імпульсів. В цей період з воронки постійно емітується потік частинок, концентрація яких визначається температурою стінок. Як показують оцінки при таких температурах перед приходом слідуючого лазерного імпульса концентрація випарених частинок у воронці для вуглецю та кремнію досягає (1 5) 1016 см-3. Цей же ефект має місце, коли перетяжка каустики лінзи знаходиться перед поверхнею плоскої мішені і потік випарених в міжімпульсний період компонент перетинає область з максимальною інтенсивністю випромінювання. При таких концентраціях можлива поява суттєвого вкладу процесів багатофотонної іонізації у загальну кількість іонів. Оцінки показують, що при no = 1016 1017 см-3, починаючи з густин потоку q = 1010 Вт/см2 додатковий вклад іонів, викликаний багатофотонною іонізацією, складає Ni = 108 109, порядок величини яких порівняний з кількістю іонів, утворених плазмовими процесами.

Підтвердженням цього є степенева залежність кількості іонів, утворених за імпульс, від густини потоку з показником степеня k, що відповідає числу необхідних для акту багатофотонної іонізації фотонів. Додатковим підтвердженням цього ефекту є порогова залежність багатофотонної добавки в іонний струм від частоти слідування імпульсів (і зв'язаною з нею температурою та концентрацією частинок) при постійній імпульсній потужності.

В подальших експериментах для вивчення динаміки іонної емісії з фокальної плями фокусуючої лінзи (об'єктива) застосовувався КПЯ, створений на базі незалежного від нагріваючого лазера активного елемента ЛПМ. Світлосила КПЯ давала змогу працювати навіть в режимі однократних імпульсів при проектуванні вихідного пучка, який несе зображення безпосередньо на плівку фотокамери. Завдяки цьому КПЯ міг синхронно працювати з будь-яким (наприклад ексимерним) нагріваючим лазером в режимі однократних імпульсів. Проведені експерименти дали змогу виявити чотири різні режими опромінення мішені, які характеризуються якісно різними мас-спектрами