Введение в физику лазеров и нелинейную оптику наноструктур

1. Введение в физику лазеров и нелинейную оптику наноструктур

Лазерные методы
формирования и исследования
наноструктур

2. Лекции 7-8. Взаимодействие лазерного излучения с веществом.

3. Лазерно-индуцированные фазовые переходы. Абляция

• Взаимодействие лазерного излучения с твердым
телом: временная шкала
• Лазерно-индуцированные фазовые переходы
(наносекунды). Фаза повышенного отражения.
• Лазерно-индуцированные фазовые переходы
(фемтосекунды).
• Формирование поверхностных периодических
структур.
• Особенности фемтосекундной лазерной абляции и
обработки материала
• Формирование наночастиц в процессе разлета
плазмы

4. Временнáя шкала

Нетерми Термические
ческие
Время (с)
-8
10
-9
10
-10
10
-11
10
-12
10
-13
10
-14
10
Абляция
Плавление
Термическая
диффузия
Электрон-фононное
взаимодействие
Электрон-электронное
взаимодействие
1) оптическое
возбуждение мишени;
2) дестабилизация
кристаллической
решетки;
3) вынос вещества и
образование облака
продуктов абляции;
4) формирование
наночастиц.

5.

6. Поглощение света и релаксация возбуждения

a, Absorption.
Defasing 10 fs
Carrirer FD distr.
100 fs
1 ps
Electron and lattice excitation and relaxation processes in a laserexcited direct gap semiconductor.
b, Free-carrier
absorption.
c, Impact ionization.
d, Carrier distribution
before scattering.
e, Carrier–carrier
scattering.
f, Carrier–phonon
scattering.
g, Radiative
recombination.
h,Auger
recombination.
i, Diffusion of excited
carriers.
j,Thermal diffusion.
k,Ablation.
l, Resolidification or
condensation.

7. Фазовые переходы

• Термические
Верхний предел скорости межфазной границы «жидкостьтвердое тело» должен быть по порядку величины равен
скорости звука в данном материале. Например, плавление
слоя Si толщиной 20 нм с помощью пикосекундного лазера
занимает от 50 - 100 пc
• Нетермические
При возбуждении большого количества электронов
происходит дестабилизация связей. «Сверхбыстрое»
плавление (~ 100 фс), происходящее из-за сильной
модификации межатомных сил благодаря лазерноиндуцированному возбуждению большого количества
электронов из валентной зоны (не менее 10 %) в зону
проводимости. Структурные изменения происходят до того,
как электронная и решеточная подсистемы придут в
состояние термодинамического равновесия.

8.

Диагностика фазовых переходов.
Наносекундные лазерные импульсы
Фаза повышенного отражения (AIIIBV и AIV,
расплавы которых являются металлами)
Плотность энергии
Ge, 694 nm,
30 ns
Лазерный импульс
Термические фазовые переходы
AIIBVI, расплав не является металлом

9.

Диагностика фазовых переходов
GaAs
В твердом состоянии :
В расплаве: D
( 2)
D( 2) 0
0
С.А. Ахманов, В.И. Емельянов, Н.И. Коротеев, В.Н. Семиногов УФН,
1985, т. 147, вып. 4, С. 675-745

10.

Диагностика фазовых переходов
(CdTe)

11.

Диагностика фазовых переходов (c-Si)
(111) Si
90 фс,
620 нм

12.

Моделирование фазовых переходов
под действием импульсов
наносекундной длительности

13. Двухтемпературная модель

Te
Te
Сe
ke
g Te Tl S z , t
t
z z
Сl
Tl
T
kl l g Te Tl
t
z z
S z , t I t A exp z

14.

Диагностика фазовых переходов под действием
сверхкоротких импульсов. Холодное плавление
Решетка разупорядочена прямым
возбуждением электронной
подсистемы. Моды колебаний
решетки остаются «холодными».
Поглощение света приводит к
возникновению плазмы свободных
носителей заряда. Когда около 10%
валентных электронов оказываются
вне связывающих, решетка
ослабевает. Таким образом,
появляется бóльшая мобильность
решетки без увеличения ее
термической энергии. При
возбуждении большой части
валентных электронов, могут
происходить структурные изменения.
Электронная система и решетка не в
равновесии, хотя каждая из
подсистем в квази-равновесии.

15. Поверхностные периодические структуры

LIPSS - Laser-induced periodic surface structures
(ripples)
Возникают на всех типах материалов (металлы,
полупроводники, диэлектрики) в фокальной пятне
линейно поляризованного излучения. Ориентация
структур связана с поляризацией падающего
излучения.
Сильно поглощающие материалы – период структур
Λ~λ , ориентированы перпендикулярно
поляризации.
Прозрачные среды - Λ~λ/n, ориентированы
параллельно.

16. Поверхностные периодические структуры

17. Поверхностные периодические структуры

Электромагнитные теории формирования поверхностных периодических структур
1. Процесс начинается с возникновения периодически модулированного интерференционного
светового поля в пространстве вблизи поверхности. Интерференция падающей световой волны с
волной, рассеянной реальной неоднородной поверхностью. Наиболее эффективна интерференция
падающей волны с определенными (резонансными) компонентами дифрагированного поля.
2. В периодически модулированном по интенсивности световом поле происходит пространственнонеоднородный нагрев поверхности. При этом распределение температуры вдоль поверхности
коррелирует с распределением интенсивности интерференционного светового поля.
3. Если интенсивность лазерного излучения достаточно велика, неоднородный нагрев поверхности
способен вызвать неоднородное плавление, а затем и испарение и вынос вещества:
интерференционный рельеф "запоминается".
Положительная обратная связь: появление рельефа поверхности определенного периода и фазы
способствует повышенному поглощению в пиковых позициях структуры, что еще более увеличивает
глубину модуляции температуры и приводит к дальнейшему повышению поглощения и т.д.

18. Поверхностные волны

1 2 2
1 2
2
kx
k
1 2
1 2 c 2
2
2
k2,2 z 2 k 2
1 2
Условие существования
поверхностной волны
1 ( ) 2 ( ) 0
1 ( ) 2 ( ) 0
2
k1,2z 1 k 2 ,
1 2
k x k x ' ik x ''
1 2 '
1 2
1 2
k x
, k x
1 2 ' c
1 2 2 1 ( 1 2 ) c
Поверхностный плазмон-поляритон

19. Поверхностные периодические структуры

z

20. Поверхностные периодические структуры

SPP
2
' 2
1
kx '
1 ' 2
1 2
k q q plas pol
1 2
0
it
d0
1 sin i

21. Самоорганизация вещества

Изменение топографии
поверхности. Фазовые переходы и
гидродинамические эффекты.
Термоупругое возбуждение
поверхностных акустических или
капиллярных волн. Градиент
концентрации носителей заряда.
Приводит к возникновению
напряжений.

22. Лазерная абляция

Абляция - пороговый процесс разрушения
твердого вещества, аналогичный испарению
и сублимации, осложненный наличием
конденсированной фазы в продуктах
разрушения, непосредственно связанный с
поглощением лазерной энергии в материале
и характеризующийся формированием
парогазового (пароплазменного) облака
продуктов абляции.
Анисимов С.И., Лукьянчук Б.С. "Избранные задачи
теории лазерной абляции" УФН 172 301–333 (2002)

23. Временная шкала

24. Сверхбыстрая «холодная» абляция

25. Откольная абляция расплава

Для Si и GaAs
порог откольной
абляции в 2 раза
превосходит
порог плавления

26. Фазовый взрыв

Фазовый взрыв – гидродинамический разлет
материала мишени при высоких внутренних
давлениях и температурах – протекает при больших
значениях плотности энергии, чем откольная
абляция.
фс
бинодаль
пс
спинодаль
нс

27. Фазовые переходы

28. Лазерная плазма

Свечение Ti в воздухе при атмосфере и давлении 9 Па

29. Разлет плазмы

30. Разлет плазмы

31. Формирование наночастиц

СЭМ-изображения
наночастиц
кремния Si, полученных при различных
давлениях окружающего газа (гелия
He) . (a) 333 Па, (b) 432 Па, (с) 665 Па.
Yoshida T., et al.// Appl. Phys. Lett.1996.- V. 68.- P. 13

32. Лазерная абляция в жидкости

33. Лазерная абляция в жидкости