Возбуждение волноводных мод в полупроводниках при воздействии фемтосекундных лазерных импульсов

• Автор: Дюкин, Роман Владимирович
• Шифр специальности: 05.27.03
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2011
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 134 с. : ил.

1. Структурирование поверхностности под действием лазерного излучения обзор литературы

1.1 Экспериментальные исследования формирования периодических структур.

1.2 Условия возникновения поверхностных электромагнитных волн

1.3 Поляритонный механизм микроструктурирования поверхности.

1.4 Экспериментальные исследования фемтосекундного формирования периодических структур.
1.4.1 Формирования периодических структур при воздействии ультракоротких лазерных импульсов на металлы.
1.4.2 Формирования периодических структур при воздействии ультракоротких лазерных импульсов на полупроводники
1.4.3 Формирования периодических структур при воздействии ультракоротких лазерных импульсов на диэлектрики.

1.5 Постановка задачи.

2. Физикоматематические модели процесса ультракоротког о фотовозбуждения полупроводника с учетом влияния поверхностных электрофизических явлений.

2.1. Концентрация неравновесных носителей по модели Друде.

2.2. Фемтосекундная динамика концентрации неравновесных электронов в металлах.
2.3. Модель двухфотонного процесса фотофозбуждения полупроводника с учетом внешней эмиссии.
2.4. Фемтосекундная динамика оптических свойств полупроводника с учетом эмиссионных явлений различного типа
2.5 Алгоритм численного моделирования процессов фотовозбуждения полупроводника.
2.6 Результаты численного моделирования фемтосекундного фотовозбуждения кремния
2.7 Выводы
3. Исследование динамики оптических свойств диэлектрика при действии ультракоротких лазерных импульсов
3.1 Механизмы изменения оптических свойств поверхности, стимулируемые ультракороткими лазерными импульсами
3.2 Многофотонное поглощение
3.3 Анализ воздействия ультракоротких лазерных импульсов на диэлектрики
3.4 Выводы
4. Экспериментальное моделирование условий возбуждения поверхностных плазмонполяритонов и волноводных мод
4.1 Проблемы возбуждения поверхностных электромагнитных волн
4.2 Функциональная схема экспериментальной установки поверхностного плазмонного резонанса по методу Кречмана.
4.2.1 Синхронный детектор. Принцип работы
4.2.2 Проверка работоспособности установки.
4.2.3 Расчет по формулам Френеля.
4.3 Экспериментальные результаты, их обсуждение.
4.4 Выводы
5. Практическое применение
5.1 Реальные разработки.
5.2 Перспективные идеи
5.3 Ультракороткие импульсы в плазмонике
Заключение
Список использованной литературы


Лазерная обработка материалов основана, как правило, на локальном тепловом воздействии и последующей абляции. Естественно, что наименьшие размеры пятна фокусировки определяются длиной волны, и поэтому для микрообработки с успехом применяются эксимерные лазеры УФ диапазона. Однако их излучение сильно поглощается во многих прозрачных материалах, что делает возможной обработку только поверхности. Для лазеров с X 0 нм АгЕлазер с Х3 нм возникает также проблема радиационного повреждения фокусирующей оптики. Исследования показали, что с помощью УКИ можно производить не только поверхностную, но и объемную микрообработку в случае прозрачных материалов с точностями не хуже достигнутой при использовании эксимерных лазеров, но, в отличие от них, с помощью оптики видимого диапазона . Особенностью лазеров УКИ является высокая интенсивность, благодаря которой резко возрастает роль многоквантовых процессов. Это обстоятельство, а также исключительно малая продолжительность воздействия фундаментально изменяют механизм взаимодействия излучения с веществом. Поэтому при достаточно высокой интенсивности нет статистического разброса в порогах пробоя и, следовательно, пробой и вложенную в среду энергию можно точно контролировать. Вследствие высокой напряженности электромагнитного поля электроны разогреваются до больших температур, а затем, уже после окончания импульса, происходит последующая передача энергии от электронов к ионам. Поскольку температура электронов очень высока, температура ионов также может стать большей, чем при использовании длинного импульса. Большая доля вещества будет испаряться внутри фокального объема, очень быстро проходя фазу плавления. Изза того что в процессе абляции в жидкую фазу вовлечено меньше вещества, исчезают капли расплава и граница обработки становится резкой. В экспериментах были получены отверстия диаметром 0. ТпьаррЫге лазера на длине волны 0 нм т 0 фс в первом случае фокусировались в пятно диаметром 3 мкм, а во втором т фс в пятно диаметром 5 мкм. Столь малые размеры отверстий меньше дифракционного предела обусловлены точным контролем интенсивности УКИ и достижением порога абляции в малой области в центре фокального пятна. Для таких применений требуются лазеры . УКИ с большой средней мощностью. В настоящее время кристаллический кремний сБ0 является основным материалом современной полупроводниковой микроэлектроники и, по всей видимости, останется таковым в течение следующих десятилетий. Однако стремительно происходящая миниатюризация современных интегральных схем и оптических систем требует нахождения новых путей наноструктурирования сБ1 . Помимо традиционно используемых литографических технологий существуют и другие пути высокоточной обработки кристаллического кремния. В этом случае, за счет разделения во времени процессов поглощения излучения в веществе и передачи поглощенной энергии решетке происходит значительное уменьшение области термического воздействия, что в. При наноструктурировании поверхности кремния импульсами наносекундной длительности в видимом и ближнем ИК диапазонах условия распространения поверхностной электромагнитной волны возникают только после плавления его поверхности. При воздействии УКИ, когда процессы поглощения излучения в веществе и передачи поглощенной энергии решетке разделены во времени, таких условий возникнуть не может. Однако экспериментально такие структуры получены , . То есть при воздействии УКИ на с создаются условия для образования пространственно промодулированного поглощения энергии, и как следствие появление микронаноструктур на поверхности. Другое направление связано с. ПЭВ путем изменения только поляризационных характеристик излучения. К примеру, это находит применение в фотоосаждении материалов ультракоротким лазерным пучком. Целью диссертационной работы является изучение механизмов, создающих условия для пространственно промодулированного поглощения энергии в кристаллическом кремнии и диэлектриках при воздействии УКИ. УКИ с веществом, экспериментальное исследование возбуждения волноводной моды в многослойных структурах.