CC BY
47
УДК 006:528
Б.С. Могилъницкий, Г.В. Шувалов ФГУП «СНИИМ», СГГА, Новосибирск
О ВОЗМОЖНОСТИ ИССЛЕДОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР ПОВЕРХНОСТИ ПРИ ОТРАЖЕНИИ СВЕТА
Представлен метод анализа наноструктур поверхности веществ. Информация о наноструктуре поверхности содержится в форме отраженных сверхкоротких лазерных импульсов. Рассматриваются возможности получения такой информации.
B.S. Mogilnitsky, G. V Shyvalov
Siberian Scientific-Research Institute of Metrology (SSRM) 4 Dimitrova str., Novosibirsk, 630004, Russian Federation; Siberian State Academy of Geodesy (SSGA) 10 Plakhotnogo UL., Novosi-birsk, 630108, Russian Federation
ABOUT POSSIBILITY OF RESEARCH NANOSTRUCTUR OF THE SURFACE AT LIGHT REFLECTION
The analysis method nanostructur a surface of substances is presented. The information about nanostructures surfaces contains in the form of the reflected supershort laser impulses. Possibilities of reception of such information are considered.
Исследование поверхности твердых тел, полупроводников, жидкостей по изучению их чистоты, загрязнения примесями является весьма актуальной проблемой сегодняшнего дня. В связи с развитием работ в области нанотехнологий, ведутся поиски новых методов исследования наноструктур веществ. Известные методы исследования на основе электронной и атомной микроскопии используют современную дорогую и сложную технологию. С этой точки зрения привлекательным обстоятельством является поиск возможностей использования оптических методов, например, на принципах отражения света от исследуемых поверхностей. Заметим, что в этом случае используется излучение оптического диапазона, где длина волны света значительно больше (примерно в 1000 раз) размера исследуемых обьектов. В работе рассмотрены некоторые возможности изучения поверхности наноструктур при использовании сверхкоротких лазерных импульсов пико-, фемтосекундной длительности излучения.
При зондировании поверхности монохроматическим стационарным лазерным излучением отраженный луч несет энергетическую и локальную спектроскопическую информацию на фиксированной длине волны облучения о процессах поглощения или отражения. Эта информация дает возможность определить лишь природу поверхности: проводник, полупроводник или
диэлектрик. При акте отражения формируется направленное (зеркальное) отражение - когда размер неоднородностей поверхности много меньше длины волны локации или дисперсное (матовое) - когда размер шереховатостей сравним или больше длины волны локации. Дополнительную информацию в этом случае о состоянии вещества в приповерхностном слое можно получить с помощью поляризациионных характеристик излучения при его отражении [1].
Совсем другая ситуация при отражении сверхкоротких лазерных импульсов (СКИ). Эти импульсы несут богатую спектроскопическую информацию о состоянии отражающей поверхности поскольку зондирование производится широким частотным спектром сверхкороткого импульса. Вся информация об отражающей поверхности заключена в форме отраженных импульсов.
Согласно современным представлениям временная форма сверхкороткого импульса формируется из частотного спектра импульса с помощью преобразований Фурье. Поскольку временное и спектральные описания светового импульса эквивалентны, то форма светового импульса определяется фазами и амплитудами спектральных компонент[2].
В области пико- и фемтосекундных длительностей спектральная форма лазерных импульсов имеет сложную структуру из-за фазовой модуляции частоты вследствие дисперсии лазерного крисстала (чирп). Это проявляется в том, что частотные интервалы продольных мод лазера в этом случае не являются эквидистантными. В настоящее время предложены методы компенсации влияния дисперсии [3], что дает возможность формирования эквидистантной решетки частот спектра импульса. В случае отражения лазерного сверхкороткого импульса от поверхности со значительной дисперсией это может дополнительно создавать трудности при анализе его формы.
Спектральный подход к изучению отражения СКИ представлен в работе [4], в которой на основании обобщенной формулы Френеля определена форма отраженного импульса для случая линейного (малая интенсивность СКИ) и нелинейного (большая интенсивность СКИ) отражения от среды с нерезонансной нелинейностью и дисперсией. В работах [5, 6], рассматриваются модели резонансного взаимодействия СКИ с отражающей поверхностью. Отметим, что в последнее время число работ в этом направлении имеет тенденцию роста [7].
Таким образом, главная задача при исследовании поверхности в том числе и на наноуровне состоит в анализе формы отраженного СКИ. Вследствие того, что оптико-электронные методы регистрации ограничены наносекундным временным разрешением, интенсивно разрабатываются оптические методы анализа формы СКИ [8-10]. Так в [8] предложен метод разложения СКИ в пространственный спектр дискретных компонент эквивалентных частотному спектру СКИ. Возникающая при этом интерференционная картина пространственных компонент и представляет временную форму СКИ.
С другой стороны, спектр указанных пространственных компонент, определяющий временную форму СКИ, эквивалентен спектру продольных мод
(частот) лазерного сверхкороткого импульса поскольку он формируется резонатором лазера. Таким образом, ИФП, как резонатор лазера, с одной стороны формирует спектр продольных лазерных мод в сверхкоротком импульсе, с другой используется как спектральное дисперсионное устройство при анализе СКИ оптическими методами [9].
При отражении светового импульса информация о мгновенных процессах взаимодействия света с поверхностью сосредоточена в отраженном сигнале. Поверхность одномоментно освещается дискретным набором продольных типов колебаний (лазерных частот), формирующихся в резонаторе лазера. Их число определяется параметрами резонатора лазера и активной среды. Например, для метрового резонатора и титан-сапфирового кристалла лазера число продольных мод составляет несколько миллионов. В отсутствие частотной дисперсии в кристалле лазера, они расположены через равные частотные промежутки в 150Мгц (Ау=с/2Ь). С другой стороны, такие частотные интервалы эквивалентны пространственным интервалам между волновыми фронтами продольных мод (аналог пространственного спектра дискретных компонент в [8]) в соответствии с соотношением (Ау) /у = (ДА) /гк. Отсюда для метрового резонатора Ті: Ба - лазера пространственный интервал между волновыми фронтами продольных мод равен 3-Ю'11 м. Другими словами, волновые фронты мод светового импульса, сформированные резонатором лазера, освещающие поверхность, разделены пространственно на величину 0.03 нм. Это по существу виртуальная пространственная наношкала, возникающая на исследуемой поверхности в процессе акта отражения каждого лазерного импульса. Наношкала является удобной системой отсчета для определения размеров исследуемых особенностей наноструктур. Местоположение таких особенностей поверхности на пространственной наношкале определяется по шкале частот резонансами поглощения или другими аномалиями в отражении света. Таким образом, размеры неоднородностей могут быть определены с помощью виртуальной пространственной наношкалы с достаточной точностью. Это весьма существенное благоприятное обстоятельство в анализе пространственных наноструктур отражающей поверхности с помощью лазерных СКИ.
Стабильность пространственных (частотных) наношкал определяется стабильностью резонатора импульсного лазера и может достигать фантастической величины при активной стабилизации длины резонатора лазера [11].
Здесь добавим, что новые возможности пространственного разрешения открываются при использовании сверхкоротких лазерных импульсов для генерации акустических импульсов на поверхности вещества - импульсов деформации [12]. Пространственная протяженность акустических видеоимпульсов длительностью 1пс в твердых телах составляет около 5нм, что позволяет существенно повысить пространственное разрешение в дефектоскопии. Масштабы пикосекундных импульсов деформации сравнимы с периодом кристаллической решетки.
Длительность отраженного импульса, как основная составляющая формы, дает обширную информацию о структуре поверхности вещества. Прецизионное измерение длительности сверхкоротких импульсов изложено в работе [13]. Таким образом, мы получаем дополнительный оригинальный метод исследования наноструктур поверхности веществ оптическими методами в удобных и понятных для нас условиях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Оптические методы исследования поверхности: эллипсометрия. Режим доступа: http:// solidba-se/karelia/ru/edu/SURF/flash/ellips/htm
2. Сверхкороткие световые импульсы, под ред. С.Шапиро.- М. Мир, 1981. С.38.
3. Bagayev S.N., Chepurov S.V., Klementyev VM.et al.Appl.Phys.B, 2000.-V.70,- P.375.
4. Ястребова, Н.В.. Особенности нелинейного отражения импульсов из малого числа колебаний светового поля от просветвленной границы раздела сред.[Текст]/ Н.В. Ястребова // Проблемы когерентной и нелинейной оптики. СПб. 2002; С.196-203. Режим доступа: ysa.ifmo.ru/publications BOOK006/paper 005.pdf.
5. Ваганас, Э. Отражение ультракоротких импульсов света от нелинейной границы раздела диэлектрических сред. [Текст]/ Э.Ваганас, А.И.Маймистров.// -Оптика и спектроскопия -1998.- Т. 84,- №2, - С.301-306.
6. Розанов, Н.Н.. Отражение сверхкоротких импульсов от границы среды Друде-Лоренца. [Текст] / Н.Н.Розанов.// - Оптика и спектроскопия,- 2003 - Т. 94,-№3,- С.439-442.
7. Режим доступа: http://peisv.viniti.ru/show.php.code=XEHCP
8. Мазуренко, Ю.Т. Нелинейная оптика спектрально разложенных волновых пакетов. [Текст]/ Ю.Т. Мазуренко //Оптика и спектроскопия - 1985-Т.59,- вып. 1,- C.57-61.
9. Мазуренко, Ю.Т. Анализ формы сверхкоротких импульсов методом нелинейной спектральной интерферометрии. [Текст] / Ю.Т. Мазуренко,
С.Э.Путилин, А.Г.Пельменев, В.Н.Шехтман.// - Оптика и спектроскопия - Т.89.-№4 - P.666-672.
10. Мазуренко, Ю.Т. Самореферентное измерение сверхкороткого импульса методом стандартной интерферометрии сдвига. [Текст] /Ю.Т.Мазуренко// -Оптика и спект-роскопия - 2009 -Т.106. - №1-P. 134-145.
11. Багаев, С.Н. Частотная стабилизация продольных мод фемтосекундного лазера с помощью опорного лазерного источника [Текст] / С.Н. Багаев, В.С.Пивцов, А.М.Желтиков // Квантовая электроника - 2002 - Т.32 - №4 - С.311.
12. Tam A.C. // Appl.Phys.Lett. - 1984. - V.45. - P.510.
13. Могильницкий, Б.С. Импульсная интерферометрия: возможности и их реализация. [Текст] / Б.С. Могильницкий // Материалы X международной научнотехнической конференции (АПЭП - 2010)- 2010 - Т.3 - С.60.
© Б.С. Mогuлънuцкuй, Г.В. Шувалов, 2011
