Лазерный мир

Н. А. Иногамов, С. И. Анисимов, В. В. Жаховский, А. Ю. Фаенов, В. А. Хохлов, И. Ю. Скобелев, Ю. В. Петров, В. Е. Фортов, Ю. Като, Т. А. Пикуз, В. В. Шепелев, Ю. Фукуда, М. Танака, М. Кишимото, М. Ишино, М. Нишикино, М. Кандо,Т. Кавачи, М. Нагасоно, H. Охаши, М. Ябаши, К. Тано, Ю. Сенда, Т. Тогаши, Т. Ишикава // “Оптический журнал”, 78, 8, 2011, с: 5- 15, УДК 535.21, 535.31, 535.34, 539.42, 539.61

Проведено экспериментальное и теоретическое исследование абляции твердого диэлектрика с широкой запрещенной зоной (LIF) под действием ультракоротких лазерных импульсов ультрафиолетового диапазона, полученных в лазере на свободных электронах (длительность импульса 0 3, Lt = пс, энергия фотона wL= 20,2 эВ), и мягкого рентгеновского диапазона, полученных в лазере на плазме серебра ( Lt = 7 пс, wL = 89,3 эВ). Проведено сравнение результатов, полученных на обеих лазерных установках. Показано, что порог абляции для обоих лазеров примерно одинаков. Представлена теория, которая объясняет слабый рост абляционной массы с ростом поверхностной плотности энергии лазерного излучения (флюенса) в случае рентгеновских лазеров как результат перехода от откольной абляции вблизи абляционного порога к испарительной абляции при больших значениях флюенса.

Введение
Абляция твердых тел под действием коротких импульсов лазерного излучения оптического или мягкого рентгеновского диапазона имеет большое значение как с теоретической, так и с практической точки зрения. Она используется для микроструктурной обработки поверхностей металлов, полупроводников и диэлектриков. В статье представлены результаты экспериментов и их теоретическое исследование для случаев воздействия на твердые тела с различной электронной зонной структурой ультракоротких, ультрафиолетовых и рентгеновских лазерных импульсов. Эксперименты, проведенные на двух типах лазеров – рентгеновском лазере на плазме серебра (XRL) и ультрафиолетовом лазере на свободных электронах (EUV– FEL), отличающихся длительностью импульса Lt и энергией излучаемых фотонов wL, показывают характерное для обоих низкое пороговое значение флюенса для начала абляции.
Низкая величина порога абляции означает более высокую эффективность ультракоротких рентгеновских импульсов в сравнении с более длительными наносекундными рентгеновскими импульсами, а также в сравнении с лазерными импульсами оптического диапазона как
наносекундными, так и фемтосекyндными. Для обоих рассмотренных лазеров мягкого рентгеновского диапазона длительность импульса Lt
меньше или порядка акустического времени / att , s s tDc = , за которое звук со скоростью sc проходит глубину проникновения света в образец Datt. В этом смысле такие короткие импульсы могут быть названы “сверхзвуковыми”. Они создают термомеханические напряжения, которые и являются причиной откольной абляции.

Термомеханические напряжения и возникающие затем отрицательные давления определяют характер абляции при относительно низких значениях флюенса вблизи порога абляции, когда при умеренном нагреве вещество мишени остается в конденсированном состоянии, и становится важной прочность на разрыв связей атомов вещества. При более высоких значениях флюенса поглощение излучения рентгеновского лазера переводит нагретый поверхностный слой мишени в газообразное состояние, для которого такими связями можно пренебречь. Лазерный импульс поглощается электронной подсистемой конденсированного вещества.

Эксперименты на рентгеновских лазерах Первые эксперименты по абляции диэлектриков рентгеновскими лазерными импульсами короткой длительности были проведены в Канзайском институте оптических исследований Агентства атомной энергии Японии. Имеющийся здесь рентгеновский лазер на плазме серебра (Ag-XRL) с рабочей длиной волны λ = 13,9 нм был существенно перестроен по сравнению с нашими предыдущими исследованиями [1, 2]. В новых экспериментах мягкое рентгеновское излучение лазера на переходах Ni-подобных ионов Аg, генерируемое первой плазменной мишенью, усиливалось при прохождении через плазму второй серебряной мишени [3, 4]. Это позволило генерировать полностью когерентный пучок рентгеновского лазерного излучения.

Лазерный импульс имел среднюю энергию 300 нДж при длительности импульса Lt = 7 пс. Лазер Ag-XRL работал в режиме 0,1 Гц, при этом горизонтальная и вертикальная угловые расходимости составляли соответственно 1,2 и 0,4 мрад.

Интересно сравнить глубины абляционных кратеров при облучении фторида лития ультрафиолетовым лазером с разными величинами флюенса.

Полное содержание статьи: http://opticjourn.ifmo.ru/file/article/7960.pdf