CC BY
19
УДК 535.3; 535.4
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭФФЕКТОВ ОГРАНИЧЕНИЯ МОЩНОГО ИМПУЛЬСНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДИФРАКЦИОННЫМИ СТРУКТУРАМИ, СФОРМИРОВАННЫМИ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ ДИОКСИДА ВАНАДИЯ НА ПОДЛОЖКАХ
Дмитрий Владимирович Чесноков
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент, зав. кафедрой наноси-стем и оптотехники, тел. (383)361-08-36, e-mail: phys003@list.ru
Сергей Леонидович Шергин
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры физики, тел. (383)361-08-36, e-mail: serkron@mail.ru
Евгений Владимирович Лаптев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, инженер кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)361-08-36, e-mail: genius-1188@yandex.ru
На принципах Z-сканирования разработаны методика и экспериментальный стенд для исследования эффектов ограничения импульсного лазерного излучения ближнего ИК-диапазона в тонкопленочных дифракционных структурах из диоксида ванадия различного стехиометрического состава на кварцевых подложках.
Ключевые слова: оптические затворы, нелинейный оптический эффект, ограничители излучения, диоксид ванадия.
DEVELOPMENT OF TECHNIQUE FOR INVESTIGATIONS OF THE EFFECTS OF LIMITING POWERFUL PULSE OF LASER RADIATION DIFFRACTION STRUCTURES FORMED IN THIN FILMS OF VANADIUM DIOXIDE ON SUBSTRATES
Dmitry V. Chesnokov
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Associated Professor, Chair of Nanosystems and Optical Engineering Department, tel. (383)343-29-29, e-mail: phys003@list.ru
Sergey L. Shergin
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., Associated Professor of Physics department, tel. (383)361-08-36, e-mail: serkron@mail.ru
Evgeniy V. Laptev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., engineer of Nanosystems and Optical Engineering Department, tel. (383)361-08-36, e-mail: Genius-1188@yandex.ru
The method and experimental equipment for study of the effects of the limitations of pulsed laser radiation in the near-infrared range by using diffractive structures in thin films of vanadium
dioxide with different stoichiometric composition on a quartz substrate based on the principles of Z-scan developed.
Key words: optical limiters, nonlinear optical effect, limiting radiation, vanadium dioxide.
Работы в области создания средств защиты наблюдательных устройств и глаз наблюдателей от поражающего воздействия мощного лазерного излучения ведутся уже длительное время [1-3], но известные устройства, например, ограничители излучений на основе фуллерен-содержащих сред, имеют ряд недостатков, среди которых можно отметить проблемы в создании средств защиты в ИК-диапазоне спектра и защиты от лазерных импульсов с большой частотой следования. Актуальными являются исследования ограничителей лазерного излучения на основе использования фазовых переходов в плёнках диоксида ванадия [4-7], и других подобных материалов, возникающих под действием нагревания лазерным импульсом.
Исследуемый в настоящей работе тонкоплёночный ограничитель выполняется в виде периодической решетки на прозрачной для лазерного излучения подложке, решетка, выполненная из диоксида ванадия, в момент фазового перехода плёнки становится металлоподобным сеточным фильтром, отражающим длинноволновое излучение с длиной волны, большей периода сетки.
В настоящее время практическое использование уже получили электронные и оптические компоненты на основе диоксида ванадия, в числе которых можно указать терморезисторы, оптические переключатели, модуляторы, управляемые лазерные зеркала, а также энергосберегающие оптические покрытия для оконных стекол [4-7]. Изменения оптических характеристик в кристаллическом VO2 обусловлены фазовым переходом полупроводник-металл, происходящим при температуре 69 °С. Амплитуда указанных изменений в аналогичных пленках VO2 в значительной мере определяется физико-химическими характеристиками получаемых слоев [8]. Быстрый фазовый переход (порядка 100 фс) в диоксиде ванадия под воздействием лазерного излучения указывают на его электронный механизм. Фазовый переход в диоксиде ванадия сопровождается возникновением заметных упругих напряжений, обусловленных скачкообразным изменением кристаллической структуры материала при фазовом переходе, которые из-за малой пластичности VO2 приводят к разрушению монокристаллических образцов при термоциклировании. По этой причине значительная доля исследований и большинство практических применений диоксида ванадия связаны с тонкими пленками, которые не разрушаются при неограниченном числе термоциклов вблизи температуры фазового равновесия [9]. Поэтому, наибольшие перспективы практического использования (в качестве оптических лимитеров) имеют почти исключительно тонкие пленки VO2, которые такого разрушения не испытывают даже при многократных циклических превращениях. Для температурных зависимостей электропроводности и отражательной способности тонких пленок диоксида ванадия в окрестности фазового перехода характерен гистерезис. Форма и температурное положение петли гис-
терезиса определяются многими факторами, такими как наличие примесей, отклонение стехиометрического состава, относительно большая толщина [10].
Исследование является частью проекта, в рамках которого разрабатывается устройство ограничения мощного излучения, в том числе, в ИК-диапазоне спектра, на принципах нелинейно-оптического увеличения отражающей способности дифракционного тонкоплёночного элемента диоксида ванадия.
Для исследования функциональных характеристик тонкопленочных образцов ограничителей на основе диоксида ванадия нами разработаны методика и оптический стенд для исследования характеристик ограничения излучения, основанный на принципах /-сканирования [11], заключающихся в том, что исследуемая структура механически перемещается вдоль оптической оси софо-кусных объективов вблизи их общего фокуса; при перемещении изменяется интенсивность падающего излучения на поверхности структуры без изменения общей мощности падающего излучения. На рис. 1 приведена оптическая схема узла /-сканирования стенда. С помощью оптического стенда измеряются параметры нелинейности фотоотклика оптических ограничителей. Сборочный чертёж блока приставки /-сканирования показан на рис. 2.
Рис. 1. Оптическая схема блока приставки /-сканирования
В основе оптической схемы лежит использование двух софокусных объективов Об.1 и Об.2 с одинаковыми фокусными расстояниями, равными 35 мм; в области их общего фокуса расположен исследуемый образец, который с помощью регулировочного винта может перемещаться вдоль оптической оси объективов - оси /. Когда исследуемый образец находится в области общего фокуса объективов, фокальное пятно на его поверхности имеет наименьшие размеры, интенсивность падающего на образец излучения наивысшая. Интенсивность 1Х излучения освещённого пятна на поверхности подложки изменяется при удалении образца от области фокуса, на расстояние Х от фокуса определяется приблизительной формулой:
4Р 1
I * -1--(1)
х я( их //+а )2'
где d - диаметр фокального пятна, Р0 - мощность падающего на образец излучения, О - диаметр коллимированного лазерного пучка, входящего в объектив Об.1, f - фокусное расстояние объектива.
Прошедшее образец излучение измеряется фотодиодом, помещённым на двойном фокусном от объектива Об.2 расстоянии. Исследуется зависимость интенсивности прошедшего излучения от интенсивности падающего на поверхность образца. Фотография приставки показана на рис. 3.
Рис. 2. Сборочный чертёж блока приставки 2-сканирования для исследования ограничителей мощных лазерных излучений
Рис. 3. Фотография оптической приставки 2 - сканирования
Изготовленная приставка 2-сканирования характеризуется следующими параметрами: поперечник лазерного пучка (3-5) мм; фокусное расстояние объективов 35 мм; размер облучаемого пятна на поверхности исследуемого образца варьируется от 50 мкм до 2 мм; максимальная расчетная плотность мощности излучения в предположении гауссовского распределения интенсивности в
8 2
пятне, падающего на образец, в центре пятна составляет 5108 Вт/см2 ; диапазон
5 2 8
изменения плотности мощности при сканировании от 1,6 10 Вт/см до 5 10
Л
Вт/см ; скорость нарастания интенсивности излучения на образце - примерно 1020 Вт/(м2с).
В качестве источника мощного лазерного излучения используется лазер с параметрами: твердотельный лазерный излучатель на иттрий-алюминиевом гранате кристалле ИАГ; длительность импульса около 20 нс, мощность в импульсе порядка 5 кВт на длине волны X = 1,06 мкм, частота следования импульсов равна (1-100) Гц.
Методика исследования заключается в следующем. Прошедшее исследуемый ограничитель излучение фокусируется объективом Об.2 в плоскости фотодиода, где регистрируется; измеряется зависимость интенсивности прошедшего излучения от интенсивности падающего. Полученная зависимость позволяет установить порог срабатывания ограничителя, уровень ограничения интенсивности прошедшего к фотоприёмнику излучения, оценить постоянную времени срабатывания ограничителя. Стенд также может позволить измерять критическую для ограничителя интенсивность падающего излучения, приводящего к разрушению ограничителя.
По оценкам, метод способен выявить отклонения от стехиометрии пленок диоксида ванадия, путем пересчета температуры фазового перехода, через зарегистрированную плотность мощности падающего излучения, в момент срабатывания ограничителя.
Работы проведены в рамках выполнения гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых ГК № МК-3705.2015.10.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Чесноков В. В., Чесноков Д. В., Шлишевский В. Б. Пленочные пассивные оптические затворы для защиты приемников изображения от ослепления // Оптический журнал. - 2011. -Т. 78, № 6. - С. 39-46.
2. Применение термоиндуцированных наноразмерных поверхностных деформаций для ослабления импульсных световых потоков / Н. В. Прудников, В. В. Чесноков, Д. В. Чесноков, С. Л. Шергин, В. Б. Шлишевский // Оптический журнал. - 2009. - Т. 76, № 2. - С. 36-41.
3. Шергин, С. Л. Разработка принципов создания термооптических затворов с тонкопленочными металлическими структурами: дисс. канд. техн. наук : 01.04.05 / С. Л. Шергин. -Новосибирск, 2009. - 131 с.
4. Токоуправляемые пространственные модуляторы света на основе VO2 для среднего ИК диапазона / О. Б. Данилов, О. П. Коновалова, А. И. Сидоров, И. И. Шагано // ПТЭ. -1995. - № 4. - С. 121-125.
5. Коновалова О. П., Сидоров А. И., Шаганов И. И. Интерференционные системы управляемых зеркал на основе VO2 для спектрального диапазона 0,6-10,6 мкм // Оптический журнал. - 1999. - Т. 66, № 5. - С. 13-21.
6. Особенности работы болометра на основе пленки диоксида ванадия в интервале температур, включающем фазовый переход / В. Ю. Зеров, Ю. В. Куликов, В. Г. Маляров, И. А. Хребтов, И. И. Шаганов // Оптический журнал. - 1999. - Т. 66, № 5. - С. 8-12.
7. Jerominek H., Picard F., Vincent D. Vanadium oxide films for optical switching and detection // Opt. Engin. - 1993. - V. 32, № 9. - Р. 2092-2098.
8. Синтез пленкообразующих материалов из оксидов ванадия и исследование возможностей получения на их основе оптических покрытий / В. В. Кириленко, Б. М. Жигарнов-ский, А. Г. Бейрахов, И. П. Малкерова, А. В. Михайлов, И. И. Шаганов // Оптический журнал. - 2010. - Т. 77, № 9. - С. 75-87.
9. Электрические и оптические явления в диоксиде ванадия вблизи фазового перехода полупроводник - металл / А. В. Ильинский, В. А. Климов, С. Д. Ханин, Е. Б. Шадрин // Известия Российского государственного педагогического университета им. А. И. Герцена. -2006. - Т. 6, № 15. - С. 100-120.
10. Андреев В. Н., Климов В. А. Влияние деформации на фазовый переход металл-полупроводник в тонких пленках диоксида ванадия // Физика твердого тела. - 2011. - Т. 53, № 3. - С. 538-543.
11. Исследование нелинейно-оптических характеристик различных сред методами z-сканирования и генерации третьей гармоники лазерного излучения / Р. А. Ганеев, Н. В. Каманина, И. А. Кулагин, А. И. Ряснянский, Р. И. Тугушев, Т. Б. Усманов // Квантовая электроника. - 2002. - Т. 32, № 9. - С. 781-788.
© Д. В. Чесноков, С. Л. Шергин, Е. В. Лаптев, 2016
