Научная статья на тему 'Передача лазерного излучения через поглощающие слои, совмещаемые с минимумом интерференции'

Передача лазерного излучения через поглощающие слои, совмещаемые с минимумом интерференции Текст научной статьи по специальности «Физика»

CC BY
154
55
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Мышкин В. Ф., Моторин А. Н.

Описываются интерференционный метод и устройство формирования модулированного во времени потока лазерного излуче" ния. Показано, что такой поток излучения при совпадении минимума интерференции с поглощающим слоем может проходить без заметного ослабления.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Мышкин В. Ф., Моторин А. Н.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Передача лазерного излучения через поглощающие слои, совмещаемые с минимумом интерференции»

скорость ее образования. Причем, воздействие внешних ионов сокращает время тренировки более, чем в 3 раза при парциальном давлении кислорода 0,028 Па и приблизительно в 7 раз при 0,016 Па. Общее давление аргон-кислородной смеси составляло

0.09.Па. При увеличении парциального давления кислорода до 0,034 Па процесс образования пленки на поверхности мишени начинает преобладать над распылением (кривые 3, рис. 10) и выход магнетрона в режим распыления металла при заданных плотностях тока становится невозможен.

Таким образом, парциальное давление кислорода в рабочей камере не должно быть ниже некоторой величины, позволяющей обеспечить химический состав растущей пленки. В тоже время оно не должен превышать некоторого критического значения, когда при заданных плотностях тока становится невозможным распыление оксидной пленки с поверхности металлической мишени. Это требование является очень важным для использования комбинированных систем в установках по нанесению оксидных покрытий.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Данилин Б.С., Сырчин В.К. Магнетронные распылительные системы. — М.: Радио и связь, 1982. — 72 с.

2. Плешивцев Н.В., Бажин А.И. Физика воздействия ионных пучков на материалы. — М.: Вузовская книга, 1998. — 392 с.

3. Фоменко В.С. Эмиссионные свойства материалов. Справочник. — Киев: Наукова думка, 1970. —148 с.

4. Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. Вып. II. Распыление сплавов и соединений, распыление под действием электронов и нейтронов, рельеф поверхности: Пер. с англ. / Под ред. Р. Бериша. — М.: Мир, 1986. —488 с.

5. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. — М.: Энергия, 1978. — 248 с.

6. Янин С.Н., Кривобоков В.П., Жуков В В., Лелеков М.А. Применение ионного ассистирования в магнетронном напылении

4. Заключение

1. Ионное ассистирование магнетронного разряда облегчает управление им на высоком уровне мощности, делает его вольтамперные характеристики более пологими.

2. Облучение мишени магнетрона ионным пучком при реактивном распылении позволяет увеличить скорость осаждения оксидных покрытий (в 3...4 раза для TiO2 и в 5...6 раз для Al2O3). Это обусловлено, на наш взгляд, эффективным удалением более высокоэнергетичны-ми ионами внешнего источника пленок химических соединений с магнетронной мишени.

3. Продолжительность тренировки мишени существенно снижается вследствие воздействия внешнего пучка ионов.

Таким образом, ионное ассистирование магнет-ронного разряда является полезным технологическим приёмом при нанесении диэлектрических и, в частности, оксидных пленок.

оксидных пленок // Модификация материалов пучками частиц и плазменными потоками: Тез. докл. VI Междунар. конф. -Томск, 2002. -C. 544-546.

7. Жуков В.В., Кривобоков В.П., Мамонтов И.А., Янин С.Н. Напыление оксидных пленок в условиях ионного ассистирования магнетронного разряда // Радиационная физика и химия неорганических материалов: Тез. докл. XII Междунар. конф. — Томск, 2003. —C. 209—212.

8. Zakharov A.N., Bugaev S.P., Kovsharov N.F., Ladyzhensky O.B., Sochugov N.S. Spatial and energetic characteristics of ion-plasma flux formed by hall current accelerator // Modification of materials with particle beams and plasma flows: Proc. ofV Intern. congress. — Tomsk, 2000. —P. 211—213.

9. Sigmund P. Theory of sputtering. I. Sputtering yield of amorphous and polycrystalline targets // Physical Review. — 1969. —V. 2. — № 184. —P. 383—415.

Введение

Оптические методы диагностики позволяют дистанционно определять параметры гетерогенных систем, имеющих широкое применение в плазменной и химической технологиях. При прохождении

оптического излучения в гетерогенной среде наблюдаются рассеяние и поглощение. Поэтому перемещение точки подсвечивания оптическим излучением вглубь гетерогенной среды, при определении или контроле её параметров, может сопровождаться зна-

УДК 535.361

ПЕРЕДАЧА ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕРЕЗ ПОГЛОЩАЮЩИЕ СЛОИ, СОВМЕЩАЕМЫЕ С МИНИМУМОМ ИНТЕРФЕРЕНЦИИ

В.Ф. Мышкин, А.Н. Моторин

Томский политехнический университет E-mail: gos100@list.ru

Описываются интерференционный метод и устройство формирования модулированного во времени потока лазерного излучения. Показано, что такой поток излучения при совпадении минимума интерференции с поглощающим слоем может проходить без заметного ослабления.

чительным уменьшением как суммарной яркости, так и контраста наблюдаемого изображения. Традиционным приемом для увеличения соотношения сигнал - шум является использование модулированного по мощности зондирующего излучения с синхронным детектированием на частоте модуляции рассеянного потока. Может использоваться как единичный фотоприемник, так и матричный.

Механический модулятор оптического излучения может быть выполнен в виде установленного на вращающемся валу непрозрачного диска с прорезями, ориентированными по радиусу. Интерферомет-рический модулятор мощности излучения содержит оптически прозрачную среду, в которой последовательно по ходу излучения сформированы разделитель потока оптического излучения и участок для когерентного суммирования этих потоков. Один из этих каналов распространения снабжен устройством изменения фазы оптического излучения относительно фазы потока в другом канале. В таком модуляторе происходит блокирование прохождению на выход потока оптического излучения, за счет когерентного взаимодействия на выходе интерферометра двух сдвинутых на полуволну пучков [1].

Зондирование модулированным по мощности излучением позволяет увеличивать контрастность изображения (или соотношение сигнал-шум для одиночного фотоприемника), но не влияет на регистрируемую яркость излучения.

Разработка способа модуляции лазерного излучения

С целью передачи максимальной части энергии зондирующего излучения в счетный объем минимального размера при диагностике параметров дисперсных частиц в оптически плотных аэрозолях нами была использована стоячая световая волна [2]. Для этого формировали два пучка коллимиро-ванных и поляризированных в одной плоскости оптических излучений, которые ориентировали навстречу вдоль одной прямой. Дополнительно эти два встречных пучка были сфокусированы в общей точке, совпадающей с узлом стоячей волны. При этом счетный объем локализован в области перетяжки в пределах нескольких пучностей стоячей волны оптического излучения.

При апробации способа использован гелий-неоновый лазер, выходное излучение которого кол-лимировали до диаметра 20 мм. Для фокусирования встречных пучков и сбора рассеянного потока использованы объективы "Гелиос-44". Собирающий объектив строил увеличенное в 5 раз изображение счетного объема на диафрагме диаметром 0,3 мм, за которой располагали фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) ФЭУ-114. Согласно нашим оценкам, за счет использования стоячих волн в области каустики объективов, максимальная концентрация дисперсных частиц в счетном объеме (при которой возможен анализ отдельных частиц) может значительно превышать предельное значение для известных счетчиков частиц.

Нами разработан интерферометрический метод модуляции мощности потока лазерного излучения, в котором когерентное взаимодействие потоков осуществляется на всем протяжении трассы. Изменение мощности излучения в каждой точке трассы происходит при биении частот, сдвинутых по частоте на малую величину когерентных потоков. Использован доплеровский метод перестройки спектрального состава лазерного излучения - изменение длины волны при отражении от подвижного зеркала. При этом каждая спектральная компонента исходного многомодового излучения смещается на точно контролируемую величину.

В качестве модулятора мощности лазерного излучения апробирован интерферометр на основе трёхзеркального резонатора. В интерферометре выходной пучок гелий-неонового лазера проходит через светоделительную пластинку. Отраженный от плоского выносного зеркала луч возвращается обратно в резонатор лазера. В резонаторе, кроме исходного излучения, усиливается излучение, отраженное от подвижного зеркала, между которыми возникают биения. Светоделительная пластинка позволяет сформировать выходной луч, модулированный по мощности.

В интерферометре использованы: гелий-неоновый лазер ЛГН-118-3В, ФЭУ-83. Выносное зеркало диаметром 18 мм совершало возвратно-поступательные движения с амплитудой 2,5 см за 4 с. Были установлены следующие расстояния: лазер - свето-делительная пластинка 6 см, светоделительная пластинка - выносное зеркало 19,5...22,0 см. Временную зависимость мощности электрического сигнала ФЭУ регистрировали с помощью запоминающего осциллографа С8-13, осциллограммы которого фотографировали с помощью цифрового фотоаппарата.

Осциллограмма мощности потока модулированного излучения гелий-неонового лазера ЛГН-118-3В приведена на рис. 1. Развертка осциллографа -20 мс/дел, чувствительность -50 мВ/дел. Запуск развертки осциллографа производился в разные фазы поступательного движения зеркала. Это позволяло получать разные доплеровские частоты. На осциллограмме горизонтальная линия уровень нулевого напряжения. Постоянная составляющая в потоке модулированного оптического излучения обусловлена разными значениями ин-тенсивностей излучений, интерферирующих в резонаторе лазера, а также широким спектральным составом многомодового излучения.

Установлено, что амплитуда переменного сигнала ФЭУ на доплеровской частоте испытывает хаотические колебания (рис. 1), обусловленные непостоянством генерируемой лазером мощности и различными внешними факторами. В сигнале ФЭУ при неподвижном выносном зеркале также регистрируются гармонические составляющие с частотой 0,5 МГц и более. При этом уровень модуляции постоянного сигнала высокочастотной сос-

тавляющей не превышает 2 %. Характер временной зависимости амплитуды высокочастотной составляющей сигнала ФЭУ остается неизменным при различных внешних условиях.

В

А 1

А

г V2 1

/ V {

Рис. 1. Осциллограмма модулированного луча лазера ЛГН-118-3В

Расчет прохождения модулированного излучения

через поглощающие слои

Для оценки доли передаваемой энергии лазерного излучения по реальным атмосферным трассам и определения оптимальных параметров модулированного с помощью интерференционного явления пучка нами были проведены расчеты коэффициентов пропускания энергии при прохождении длинных трасс при различных положениях локального участка с повышенным ослаблением относительно источника излучения и фотоприемника.

Для распределения интенсивности по направлению распространения двух пучков, испытывающих биения, использовали выражение

I = I + 12 + 2у^I, 12 совА^,

где А^ - разность фаз интерферирующих лучей, I и 12 - их интенсивности, у - степень когерентности.

Расчет потерь проводили в направлении распространения пучков, в пределах ослабляющего слоя. Ослабляющий слой разделяли на элементарные участки, на которых потери интенсивности суммарного пучка определяли из закона Бугера. Интенсивность суммарного пучка на входе в /+1 участок определяли с учетом фаз интерферирующих пучков на этом участке и их потерями на /-ом участке, начиная с первого.

Выводы, следующие из этих расчетов, могут быть распространены и для случая прохождения импульса лазерного излучения через локальный участок световода, имеющей повышенный коэффициент ослабления, например, стык двух световодов или трещину.

На рис. 2-5 приведены расчетные зависимости коэффициента пропускания участка трассы с повышенным ослаблением потока модулированного лазерного излучения. Приняты следующие обозначения: А у - частота модуляции оптического излучения, МГц, а - коэффициент ослабления, м-1, I - длина поглощающего участка трассы, м, А^0 - сдвиг фаз взаимодействующих волн в начальной точке, град, Ь - расстояние от излучателя до ослабляющей области, м.

Г, % 80

60

40

20 О

О 18 36 54 72 90 Аф0, град

Рис. 2. Зависимость прошедшего потока от начальной разности фаз. 1) Ау=50 МГц, а=0,01 м-1, 1=10 м, L=100 м; 2) Ау=0,25 МГц, а=1 м-1,1=10 м, L=500 м; 3) Ау=75 кГц, а=1 м-1,1=40 м, L=2990 м

Зависимость мощности прошедшего (через ослабляющий участок при малой его оптической плотности и малом расстоянии до него) потока практически не зависят от частоты модуляции излучения, что показывает кривая 1 на рис. 2. При увеличении оптической плотности локального участка или расстояния до него за счет подбора начальной разности фаз можно увеличить величину прошедшего потока излучения для разных значений частоты модуляции. Это подтверждается кривыми 2, 3 на рис. 2.

При оптимизации частоты модуляции потока лазерного излучения, для различных расстояний до ослабляющего участка, энергия прошедшего потока зависит от оптической плотности неоднородного слоя. Рис. 3 показывает, что вид зависимости мощности прошедшего потока от толщины ослабляющего слоя в значительной мере зависит от расстояния до него.

Г, % 80

60

40

20

0

4

. 1 >

\\ ч ч, \ 1 ^ 2

А" — -■»

зу / 4 " --- ^ ^ ^

0

10

15 20 25 /,м

Рис. 3. Зависимость прошедшего потока от длины поглощающего участка при оптимальной частоте модуляции (Афо=90). - - - -L= 400 м,--L= 1500 м. Коэффициент ослабления а, м-1:1) 1, 2) 2, 3) 3, 4) 4

Через пространственно ограниченный участок оптической трассы (длиной менее 10 м), даже при высоком коэффициенте ослабления, можно передавать поток оптического излучения с высокой эффективностью (рис. 4). При этом, в зависимости от расстояния до ослабляющего участка и его протяженности, существует оптимальная частота модуляции, обеспечивающая наибольший коэффициент прохождения потока излучения. Из расчетов следует, что при увеличении оптической плотности (за счет увеличения протяженности слоя) даже при

оптимальной частоте модуляции коэффициент пропускания слоя может уменьшиться до нуля (наблюдается полное ослабление потока оптического излучения).

___в 1

\\ ч * \

♦ > 4 \ ч ч \ 2

ч ч 3 \ * ^

ч * *— . < *

О 7 15 22 30 38 а, м"1

Рис. 4. Зависимость прошедшего потока от коэффициента поглощения при частоте модуляции 30 кГц (Аф0=90, ¡.=1500 м). Длина поглощающего участка I, м: 1) 1, 2) 2, 3) 3, 4) 4

С увеличением частоты модуляции, при любых параметрах поглощающего участка и расстояния до него, уменьшается зависимость потока прошедшего излучения от частоты и усиливается зависимость от оптической плотности. При этом коэффициент пропускания имеют тенденцию к снижению, что подтверждает рис. 5. Оптимальная частота модуляции излучения, обеспечивающая максимальное пропускание, наблюдается для малых значений частоты модуляции. При этом небольшое изменение частоты модуляции приводит к значительному изменению коэффициента пропускания, зависящего от частоты по гармоническому закону. При любых параметрах модулированного потока и неоднородной трассы суммарные потери на поглощающем участке пропорциональны его оптической плотности.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кухаркин Е.С. Электрофизика информационных систем: Учебное пособие для вузов. - М.: Высшая школа, 2001. - 671 с.

Результаты расчетов справедливы для заданного момента времени.

30 52 75 98 128 Ду, МГц

Рис. 5. Зависимость коэффициента пропускания от частоты модуляции. а=0,01 м-1,1=10 м, ¡=100 м

Заключение

Расчеты, результаты которых приведены выше (рис. 2-5), подтверждают возможность передачи потока лазерного излучения с минимальными потерями через локальные участки трассы, имеющие повышенный коэффициент ослабления. При этом ослабление модулированного пучка может быть значительно меньше значения, определяемого из закона Бугера для зондирующего излучения постоянной мощности. Поэтому до анализируемого объема будет доходить значительная доля из исходного потока энергии, а отсутствие ослабления на трассе между излучателем и счетным объемом позволяет получать высокое соотношение сигнал-шум.

Дальнейшие исследования в данном направлении связаны с оптимизацией параметров устройства для формирования заданных пространственно-временных параметров коллимированного потока лазерного излучения.

2. Мышкин В.Ф. Особенности рассеяния лазерного излучения из области интерференции // Известия Томского политехнического университета. -2004. - Т. 307. -№ 3. - С. 64-68.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.