Разработка технологии создания 2D и 3D микро- и наноструктур под действием ультракоротких лазерных импульсов

Проведенные в отчетном году исследования были сосредоточены на изучении экстремальной нелинейной трансформации фемтосекундных лазерных пучков в конденсированных средах. Эта трансформация определяется возмущением электронной подсистемы твердого тела и является, таким образом, ключом к пониманию всех нелинейных процессов в системе среда - поле. Под экстремальностью здесь понимается, что наводимое в среде возмущение настолько велико, что кардинально меняет характер распространения пучка и принципиально для решения задачи контролируемого лазерного структурирования прозрачных мишеней. За отчетный период изучены процессы, инициированные лазерным воздействием в кристалле алюмо-иттриевого граната (ИАГ), в котором, как было обнаружено, отсутствует плазма свободных носителей, эффективно рассеивающая лазерный импульс, создавший ее. Таким образом, ИАГ является моделью среды, в которой отсутствует эффект плазменной дефокусировки. Методом конечных разностей получено решение нелинейного волнового уравнения в приближении медленно меняющихся амплитуд и фаз, описывающего распространение одиночного фемтосекундного импульса в воде. Изучена зависимость степени ионизации воды и пространственной локализации поглощенной энергии света от энергии импульса и числовой апертуры (NA) фокусирующей линзы вплоть до NA = 0,3 для импульса гауссовой формы с длительностью 120 фс на длине волны 800 нм. За отчетный период исследованы особенности лазерного микроструктурирования для целого ряда материалов как на поверхности, так и в объеме мишеней. Одной из целей на этом направлении было исследование воздействия лазерного излучения на поверхность высокоомного кремния для создания дифракционных оптических элементов (ДОЭ) для ТГц-диапазона длин волн на его основе. Актуальность исследования обусловлена появлением мощных источников когерентного терагерцевого излучения, например, лазера на свободных электронах с рабочей длиной волны 141 мкм. Максимальная глубина рельефа ДОЭ определяется формулой $\lambda/(n-1)$, где $\lambda$ = 141 мкм - длина волны, $n$ =3,4 - показатель преломления кремниевой подложки. В задачи исследования входило определение оптимальных условий лазерного облучения для создания глубоких (до 60 мкм) микроструктур на поверхности высокоомного кремния. В экспериментах использовалось три типа лазеров: эксимерный с длинами волн 248 (KrF) и 193 нм (ArF) и длительностью импульса 20 нс; дисковый Yb:YAG лазер с длиной волны 1030 нм, длительностью импульса 400 фс и частотой следования импульсов 200 кГц; Ti:Al₂O₃ лазер с длиной волны 400 нм (вторая гармоника), длительностью импульса 120 фс и частотой следования импульсов 1 кГц. Проводилась серия облучений с фиксированной плотностью энергии и различным числом импульсов. Затем морфология поверхности анализировалась с помощью интерференционного (New View 5000, Zygo Corp.) и растрового электронного микроскопа. Измерялись глубины полученных кратеров, и строились зависимости глубины от числа импульсов для вычисления скорости абляции материала. Начаты работы по изучению лазерного воздействия на нитрид бора. Высокий уровень теплопроводности и широкий диапазон его электрофизических свойств привлекателен для использования в электронике, а твердость и износостойкость - для использования в механической обработке других материалов. В связи с уникальными свойствами нитрида бора возникают сложности с его обработкой. Лазерное излучение является перспективным инструментом для локальной модификации и резки нитрида бора, однако и здесь есть свои сложности. Недавно в работе Wu и др. была продемонстрирована резка нитрида бора с высокими скоростями, был применен непрерывный $СО_2$ лазер вместе со струей воды для охлаждения зоны облучения. Однако качество реза при этой обработке было неудовлетворительным и требовало дальнейшей обработки. В случае же использования импульсного лазерного излучения, например, пикосекундной длительности, скорость абляции значительно падает. В задачи выполняемого проекта входит определение режимов лазерной обработки нитрида бора, позволяющих осуществлять как прецизионное микроструктурирование поверхности, так и резку материала. На данном этапе для этих целей использовался эксимерный KrF-лазер. Скорость абляции образца вычислялась из зависимости глубины кратера от числа импульсов при фиксированной плотности энергии в импульсе.