Теплофизика высоких температур, 2020, T. 58, № 4, стр. 641-645

ВВЕДЕНИЕ

Благодаря появлению в настоящее время одно- и двухпериодных импульсов терагерцевого (ТГц) спектра излучения с амплитудой электрического поля порядка 10⁷–10⁸ В/см [1–4] открылось новое направление в фундаментальных и прикладных исследованиях. Это – индуцированные ТГц-полями нелинейные процессы в поверхностных слоях металлов и полупроводников, а также силовое воздействие (деформирование, модификация и разрушение) на тонкие пленки металлов [5–14].

ТГц-импульс длительностью в половину периода электромагнитной волны (доли пикосекунды) по сути моделирует нерезонансное воздействие на объект квазипостоянного электрического поля с высокой напряженностью, что невозможно создать другими методами.

В данной работе приводятся результаты экспериментальных исследований образования высокоскоростного деформирования, модификации и разрушения тонких пленок свинца под действием сверхкоротких импульсов дальнего инфракрасного ТГц-спектра излучения.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА

Для проведения исследований разработан и создан экспериментальный стенд, состоящий из фемтосекундной хром-форстеритовой лазерной системы, генератора ТГц-импульсов, системы диагностики лазерного и ТГц-излучений. Генерация импульсов ТГц-излучения осуществлялась методом оптического выпрямления фемтосекундных лазерных импульсов в нелинейных органических кристаллах OH1 [4, 15] и DSTMS [16]. В качестве накачки ТГц-кристаллов использовалась хром-форстеритовая фемтосекундная лазерная система, которая позволяла получить излучение на длине волны 1240 нм с длительностью импульса 80 фс и энергией до 90 мДж. Излучение с длиной волны 1240 нм является оптимальным для генерации ТГц-импульсов с высокой конверсионной эффективностью (до 3%) и гауссовым пространственным распределением профиля интенсивности.

Выходная энергия импульсов ТГц-излучения измерялась калиброванной ячейки Голея (GC-1D Tydex). ТГц-кристалл с рабочим диаметром 8 мм позволял получать энергию ТГц-излучения величиной до 120 мкДж. Регулировка плотности энергии накачки на поверхности ТГц-кристалла и, следовательно, регулировка энергии импульса осуществлялась путем изменения энергии лазерного импульса с помощью поляризационного ослабителя, состоящего из полуволновой пластины и призмы Глана. Напряженность электрического поля ТГц-импульса измерялась с помощью методики электрооптического детектирования с использованием электрооптического кристалла GaP (110) толщиной 100 мкм, закрепленного на оптическом контакте на подложке GaP (100) толщиной 2 мм. Длительность импульса ТГц-излучения составляла 700 фс по уровню 0.5 от максимума интенсивности и измерялась с помощью автокоррелятора первого порядка (интерферометра Майкельсона). Помимо контроля параметров лазерного импульса в каждом импульсе, созданная система регистрации обеспечивала запись информации, получаемой в измерениях: энергии ТГц-импульса, энергии прошедшего образец оптического импульса на основной частоте или на частоте его второй гармоники, либо после электрооптического детектирования и другой необходимой информации.

Для блокировки излучения лазерной накачки на длине волны 1240 нм и ее второй гармоники на длине волны 620 нм, возникающей в процессе генерации ТГц-излучения в нелинейном органическом кристалле DSTMS, после кристалла был установлен отрезающий ТГц-фильтр (LPF8.8-47, Tydex), не пропускающий излучение с длинами волн меньше 34 мкм. Коэффициент ослабления фильтра на длине волны излучения 1240 нм составлял не менее 10⁸.

Для проведения экспериментальных исследований по высокоскоростному деформированию и разрушению конструкционных материалов и сплавов с помощью сверхкоротких импульсов направленного ТГц-излучения разработана методика измерения порогов разрушения исследуемых объектов. На рис. 1 представлена оптическая схема проведения измерений.

Рис. 1.

Экспериментальная схема измерений.

Максимальная конверсионная эффективность обеспечивалась плотностью энергии лазерного излучения на поверхности кристалла DSTMS, равной 15 мДж/см², в центре пятна с гауссовым распределением. При такой плотности энергии накачки лазерного излучения не происходит каких-либо необратимых процессов с нелинейным кристаллом, что позволяет работать с частотой повторения импульсов лазера накачки 10 Гц.

Для корректировки расходимости и обеспечения оптимальных условий фокусировки пучка ТГц-излучения в пятно близко к дифракционному пределу использовался телескоп, который увеличивал диаметр исходного ТГц-пучка в шесть раз (для полного заполнения апертуры фокусирующего параболического зеркала) и состоял из двух внеосевых параболических зеркал с эффективным фокусным расстоянием 25.4 мм (OAP1) и 152.4 мм (OAP2). Фокусировка ТГц-пучка на образец осуществлялась внеосевым параболическим зеркалом диаметром 50.8 мм с фокусным расстоянием 50.8 мм (OAP3). Все элементы экспериментальной схемы размещались в боксе с осушенным воздухом (относительная влажность меньше 5%) для уменьшения поглощения ТГц-излучения парами воды.

Измерения размера ТГц-пучка в фокальной плоскости фокусирующего параболического зеркала проводились “ножевым” методом, что позволило определить плотность энергии ТГц-излучения на поверхности исследуемого образца. Диаметр пучка на уровне 1/е от максимума составлял 180 мкм. При максимальной энергии ТГц-импульса (120 мкДж) плотность энергии на поверхности образца достигала 470 мДж/см². Измерения напряженности электрического поля ТГц-импульса в фокальной плоскости параболического зеркала осуществлялись методом электрооптического детектирования. В максимуме напряженность достигала 23 МВ/см. Временнáя форма импульса представлена на рис. 2.

Рис. 2.

Временнáя форма ТГц-импульса.

ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

Эксперименты по исследованию разрушения конструкционных материалов и сплавов проводились с пленками свинца толщиной 50 нм, напыленными на стеклянную подложку толщиной 150 мкм. Толщина пленок примерно совпадает с глубиной скин-слоя для частоты 1 ТГц. Определено пороговое значение напряженности электрического поля ТГц-импульса, при котором происходит разрушение пленки. Для этого были получены разрушения пленки при различной напряженности электрического поля ТГц-импульса (рис. 3).

Рис. 3.

Изображения повреждений свинцовой пленки толщиной 50 нм, напыленной на стеклянную подложку толщиной 150 мкм, при воздействии на нее одиночным ТГц-импульсом с разными значениями напряженности электрического поля: (а) – 15 МВ/см, (б) – 19, (в) – 23.

Для определения порогового значения использовалась методика, основанная на измерениях размера пятна высокоинтенсивного импульсного ТГц-излучения с гауссовым профилем по оптически индуцированным фазовым изменениям на поверхности пленки свинца. Данный подход справедлив для любого чувствительного материала и широко используется в измерениях порогового значения плотности энергии различных лазерно-индуцированных явлений.

На рис. 4 приведены зависимости квадрата радиуса области повреждения пленки от логарифма падающей энергии ТГц-импульса. Для пучка с гауссовым профилем интенсивности эта зависимость должна иметь вид прямой линии. По значению в точке пересечения подгоночной прямой с горизонтальной осью определяется пороговое значение энергии, при которой происходит повреждение пленки, а по наклону прямой находится параметр гауссова пучка r₀, который определяет радиус пучка на уровню 1/е от максимума интенсивности. Исходя из полученных экспериментальных данных, r₀ составлял 100 мкм, что хорошо коррелирует с полученными размерами пучка на образце ножевым методом, а пороговое значение плотности энергии, при котором происходит разрушение пленки свинца, составляло 72 мДж/см² при напряженности электрического поля ТГц-импульса 14 МВ/см.

Рис. 4.

Зависимость квадрата радиуса области повреждения пленки свинца от логарифма энергии ТГц-импульса.

Также исследован характер разрушения пленки свинца при многократном воздействии ТГц-импульсом с напряженностью поля 23 МВ/см. На рис. 5 представлены оптические изображения повреждений поверхности металлической пленки при многократном облучении ТГц-импульсом с напряженностью электрического поля более 20 МВ/см, полученные с помощью оптического микроскопа в проходящем свете. При увеличении количества облучений до пяти область повреждений растет и приходит к “насыщению”, т.е. при дальнейшем увеличении количества облучений размеры повреждения не меняются.

Рис. 5.

Изображения повреждений свинцовой пленки при воздействии на нее разным количеством ТГц-импульсов: (а) – 1 импульс, (б) – 5, (в) – 600, с напряженностью электрического поля 23 МВ/см.

На рис. 6 представлены изображения повреждений пленки свинца, полученные с помощью электронного микроскопа с различным пространственным разрешением в центральной части пятна и на периферии. Напряженность поля ТГц-импульса на поверхности пленки составляла величину 23 МВ/см. Характер разрушений при многократном воздействии ТГц-импульса представляет собой набор хаотично расположенных трещин субмикронной толщины. В отличие от характера разрушений пленки из нержавеющей стали периодическая структура в виде вытянутых каналов нарушения сплошности металлической пленки, ориентированных перпендикулярно вектору напряженности электрического поля [1], отсутствует. На рис. 7 показаны характерные изображения повреждений пленки из стали 12Х18Н10Т на подложке из стекла толщиной 20 нм [17].

Рис. 6.

СЭМ-изображения повреждений пленки свинца: центральная часть области облучения (верхний ряд), периферия (нижний ряд); темные полосы – сквозные отверстия.

Рис. 7.

Изображения повреждений пленки из стали 12Х18Н10Т на подложке из стекла [1]: (a) – оптическое, (б) и (в) – СЭМ-изображения с различным пространственным разрешением (стрелка – направление вектора электрического поля).

Характер разрушения пленки свинца резко отличается от характера разрушений пленки из нержавеющей стали. Ранее в работе [11] было выдвинуто предложение об электрострикционном механизме разрушения пленки алюминия как одном из возможных путей разрушения тонких металлических пленок под действием импульсов ТГц-излучения с высокой напряженностью электрического поля. Однако представляется, что для обоснования электрострикционного механизма разрушения пленки свинца недостаточно экспериментальных данных. Также открытым остается вопрос о влиянии материала подложки на характер разрушений, так как используемая стеклянная подложка сильно поглощает ТГц-излучение.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Впервые экспериментально исследованы прочность свинца и характер его разрушения при нерезонансном воздействии сильного квазипостоянного электрического поля сверхкоротких импульсов направленного ТГц-излучения с напряженностью поля до 23 МВ/см. ТГц-импульс длительностью в единицы пикосекунд по сути моделирует нерезонансное воздействие на объект квазипостоянного электрического поля с высокой напряженностью, что невозможно создать другими методами. Пороговое значение напряженности электрического поля, при которой происходит разрушение тонкой пленки свинца, напыленной на стеклянную подложку, определено по отсутствию повреждений на поверхности пленки и составило величину 14 МВ/см. Полученные экспериментальные данные не позволяют сделать однозначного вывода о механизме разрушения тонких металлических пленок.

Все экспериментальные работы выполнены на уникальной тераваттной хром-форстеритовой лазерной системе (УНУ “ЛТФК”) в центре коллективного пользования “Лазерный фемтосекундный комплекс” ОИВТ РАН.