0.6. Формирование лазерно-индуцированного поверхностного рельефа при воздействии сверхкоротких лазерных импульсов

В первой части пособия были проанализированы условия образования ПЭВ, а в разделе 2.4 - механизм формирования лазерно-индуцированного поверхностного рельефа. При использовании сверхкоротких лазерных импульсов механизм возникновения ПЭВ не меняется, но формирование поверхностного рельефа происходит после окончания импульса воздействия, когда ПЭВ уже не существует. Поэтому механизмы формирования лазерно-индуцированного поверхностного рельефа при воздействии сверхкоротких импульсов имеют свои особенности.

В эксперименте после воздействия на поверхность образца микрокристаллического пирографита серии лазерных импульсов длительностью ~ 1 пс была обнаружена периодическая поверхностная структура. Поверхностные периодические структуры были обнаружены также и при воздействии фемтосекундными лазерными импульсами на поверхность пластин кристаллического кремния с ориентацией .

Нагревающий лазерный импульс длительностью ≈1 пс и длиной волны 780 нм фокусировался в пятно диаметром ≈ 200 мкм на торец и поверхность графита под углом, близким к нормальному падению. Плотность энергии в пятне фокусировки составляла ≈ 0.5 Дж/см². При многократном воздействии лазерными импульсами с частотой повторения 10 Гц в центре пятна фокусировки на торце возникает периодический поверхностный рельеф с периодом ≈ 0.6 мкм на торцевых пятнах (рис. 0.23б), и с периодом ≈ 1 мкм в пятне на поверхности образца.

Рис. 0.23. Электронная микроскопия микрокристаллического пирографита: а - исходная поверхность до облучения, б - после облучения импульсами длительностью = 1 пс, плотность энергии ≈ 0.5 Дж/см².

На рис. 0.24 представлено полученное в сканирующем электронном микроскопе типичное изображение микроструктурированной поверхности кремния после ее облучения 1200 импульсами. Диаметр светового пятна на облучаемой поверхности составлял примерно 100 мкм, значение плотности потока энергии 2 Дж/см². Оптически наведенная решетка с периодом 1 мкм ориентирована в направлении, перпендикулярном поляризации лазерного излучения. Глубина модуляции решетки также составляет около 1 мкм. При облучении поверхности кремния с ориентацией поверхности получены аналогичные результаты.

Рис. 0.24. Изображение облученной 1200 импульсами поверхности кремния в сканирующем электронном микроскопе. Направление поляризации структурирующего лазерного излучения отмечено стрелкой.

0.6.0. Механизм образования поверхностных периодических структур при воздействии сверхкоротких импульсов

При воздействии лазерного излучения на металлы и полупроводники на поверхности могут образоваться периодические структуры с периодом порядка длины световой волны. В основе механизма их образования лежат процессы резонансного возбуждения поверхностных электромагнитных волн, интерференция которых с падающей волной приводит к пространственной модуляции энерговыделения, что посредством подходящего теплофизического механизма (например, испарения или теплового расширения) при наличии положительной обратной связи приводит к образованию периодического поверхностного профиля.

При воздействии лазерных импульсов пикосекундной и более короткой длительности теряется возможность осуществления ряда из указанных процессов за время длительности лазерного импульса. В таких условиях формирование периодических поверхностных структур может происходить лишь после окончания лазерного воздействия, что составляет принципиальное отличие режима сверхкоротких лазерных импульсов от обычного случая. Кроме того, имеются и другие существенные особенности режима сверхкоротких лазерных воздействий: отрыв температуры электронов проводимости от температуры кристаллической решетки, малость глубины модулированного прогрева. Поэтому исследование процессов образования периодических поверхностных структур в этих условиях имеет исключительно важное значение для понимания физики взаимодействия сверхкоротких лазерных импульсов с конденсированными средами.

Характерная особенность процессов воздействия пикосекундных (и более коротких) лазерных импульсов с умеренными величинами плотности энергии ( 1-5 Дж/см²) на сильно поглощающие конденсированные среды состоит в том, что за время длительности лазерного импульса происходит поглощение энергии излучения и ее перераспределение между подсистемами вещества (электронами проводимости и решеткой), в то время как остальные процессы, такие как тепловое расширение, испарение, а возможно, и плавление (см. раздел 0.3), требуют более длительного времени и идут после окончания лазерного импульса. Так, упругая разгрузка прогретого слоя вещества толщиной 10^-5 см результатом которой является тепловое расширение, происходит за время 3-10 пс ( - скорость звука), заметно превышающее длительность лазерного импульса. Отсюда следует, что образованию периодической поверхностной структуры должен предшествовать этап формирования пространственно-модулированного поля температуры (запись температурной решетки) за счет неустойчивого процесса с положительной обратной связью за время ). Существенной характеристикой этого процесса является то, что при воздействии пикосекундными и более короткими импульсами он идет со значительным отрывом электронной температуры от температуры кристаллической решетки.

В основе процесса формирования периодического профиля температур при воздействии на высокопроводящие материалы должно быть резонансное возбуждение поверхностных электромагнитных волн при дифракции падающей лазерной волны на плоской поверхности с пространственной модуляцией оптических свойств, вызванной периодической модуляцией температуры. Существенно при этом, что глубина модуляции может быть как больше, так и порядка глубины скин-слоя.

В том случае, когда формирование периодических поверхностных структур при происходит за счет теплового расширения расплавленного слоя вещества - выдавливания решетки (второй этап), вслед за ним (в качестве третьего этапа) идет обратный процесс - рассасывание решетки вследствие поверхностного натяжения. Фиксация периодического поверхностного профиля в итоге зависит от того, сохранится ли пространственная модуляция температуры поверхности, до того как расплавленный поверхностный слой вещества успеет затвердеть, и сможет ли вязкость расплава оказаться достаточно эффективной, чтобы до затвердевания воспрепятствовать рассасыванию периодического профиля за счет поверхностного натяжения.