Ανάπτυξη διαγνωστικών τεχνικών στην αποδόμηση στερεών με χρονικά διαμορφωμένους υπερβραχείς παλμούς λέιζερ

Abstract

Η διατριβή αυτή ασχολείται με την μελέτη της αποδόμησης στερεών στόχων, ημιαγωγών και μετάλλων, με υπερβραχείς παλμούς λέιζερ. Το φαινόμενο της αποδόμησης αποτελεί τη βάση της χρήσης λέιζερ στην κατεργασία υλικών και στην αποκατάσταση έργων τέχνης. Επομένως, για τη βελτιστοποίηση της εφαρμογής και για την εξέταση των δυνατοτήτων/πλεονεκτημάτων της χρήσης υπερβραχέων παλμών λέιζερ είναι αναγκαίο να προσδιοριστούν οι βασικοί μηχανισμοί. Η μια εκ των δυο βασικών πειραματικών μεθόδων που χρησιμοποιήθηκαν ήταν αυτή της φασματοσκοπίας ταχυτήτων μέσω της μέτρησης του χρόνου πτήσης, συνδυασμένης με τη δυνατότητα εφαρμογής μεταβλητού φραγμού δυναμικού επιτρέποντας με αυτό τον τρόπο την τμηματική διερεύνηση της κατανομής ταχυτήτων. Η δεύτερη ήταν η τεχνική pump-pump για τη μελέτη της χρονικής εξέλιξης των διαδικασιών που εμπλέκονται στην εκπομπή των ιόντων. Χρησιμοποιήθηκαν ακολουθίες διπλών παλμών με μεταβλητές χρονικές καθυστερήσεις από 0 έως 80ps. Ένας επιπλέον λόγος για την εξέταση της pump-pump τεχνικής είναι ότι η χρήση της μπορεί να επιτρέψει τη μείωση ή και την εξάλειψη των όποιων παρενεργειών (π.χ. μηχανική καταπόνηση του υποστρώματος) με τη χρήση κατάλληλης χρονικής καθυστέρησης μεταξύ των δύο παλμών, βελτιώνοντας την κατεργασία υλικών με λέιζερ. Για το Πυρίτιο, μέχρι τριπλά φορτισμένα ιόντα ανιχνεύτηκαν, ξεκινώντας από μόνο μονά φορτισμένα στις χαμηλότερες εντάσεις. Οι κινητικές ενέργειες των ιόντων φτάνουν μέχρι το 1keV για τα μονά φορτισμένα, ενώ μέχρι τα μερικά keV για τα υψηλότερα φορτισμένα ιόντα. Η ανάλυση των αποτελεσμάτων δείχνει ότι οι κατανομές κινητικών ενεργειών των ιόντων, με δεδομένη κατάσταση φόρτισης z, τα οποία εξάγονται από ένα παλμό, περιγράφονται πολύ καλά από την εκθετική κατανομή. Αυτό δεν ισχύει για τα χαμηλής ενέργειας ιόντα των μερικών eV, για τα οποία το πιο πιθανό είναι να εκπέμπονται από διαφορετικό μηχανισμό. Η διατριβή αυτή εστιάζει στα υψηλής ενέργειας ιόντα μόνο. Κάθε εκθετική κατανομή χαρακτηρίζεται από δυο παραμέτρους, το συνολικό αριθμό ιόντων, Ν₀, και την χαρακτηριστική ενέργεια Ec. Η εξάρτηση αυτών των παραμέτρων από την πυκνότητα ενέργειας του παλμού προσδιορίστηκε. Οι συνολικές κατανομές κινητικών ενεργειών, που περιλαμβάνουν συνεισφορές από όλες τις καταστάσεις φόρτισης, παρουσιάζουν μια εντυπωσιακή κλιμάκωση με την ενέργεια του παλμού του λέιζερ. Η Ec παρουσιάζει κλιμάκωση με το z² υποδεικνύοντας κλιμάκωση της ορμής με το z, η οποία στην γενικότερη περίπτωση προκύπτει από την επιτάχυνση των ιόντων σε ένα ηλεκτρικό πεδίο ανεξάρτητο της θέσης το οποίο έχει μορφή παλμού στο χρόνο. Για να εξηγήσουμε την εκθετική μορφή της κατανομής κινητικών ενεργειών και την κλιμάκωση της ορμής με το φορτίο, προτείνουμε ένα απλό φαινομενολογικό μοντέλο βασισμένο σε εκθετικά μειούμενο ηλεκτρικό πεδίο και στον αντίστοιχο ρυθμό απελευθέρωσης ιόντων. Και στα δύο υπεισέρχεται η σταθερά χρόνου τ της πτώσης του πεδίου. Η τάξη μεγέθους του τ η οποία είναι συμβατή με τα πειράματα των διπλών παλμών, για διαφορετικές χρονικές καθυστερήσεις, είναι τ~20ps. Οι διπλοί παλμοί με κατάλληλες χρονικές αποστάσεις δημιουργούν περισσότερα και ενεργητικότερα ιόντα από ότι οι μονοί παλμοί της ίδιας συνολικής ενέργειας. Από την ανάλυση μας προκύπτει ότι δυο διαφορετικά φαινόμενα υπεισέρχονται. Το ένα είναι η προετοιμασία του στόχου μέσω τήξης/εξαέρωσης που δημιουργείται από τον πρώτο παλμό της ακολουθίας και το άλλο είναι η αύξηση της θερμοκρασίας των ηλεκτρονίων στο πλάσμα του πρώτου παλμού από την άφιξη του δευτέρου παλμού. Τέλος για την περίπτωση ενός δεύτερου μικρού παλμού, που μπορεί να θεωρηθεί σαν διαταραχή, βρίσκουμε καλή συμφωνία των πειραματικών αποτελεσμάτων με τις προσομοιώσεις που προκύπτουν από το μοντέλο. Για εφαρμογές στην κατεργασία υλικών η μελέτη δείχνει τη δυνατότητα χρήσης διπλών femtosecond παλμών για την επίτευξη αφαίρεσης υλικού με εξαιρετικά υψηλό έλεγχο της μορφολογίας και της ποσότητας αφαίρεσης υλικού με ελάχιστη μηχανική καταπόνηση. Τα εκπεμπόμενα βαρέα ιόντα μεγάλης κινητικής ενέργειας μπορούν να ανιχνευτούν σε σχετικά μεγάλη απόσταση από το στόχο και στον αέρα. Η παρουσία τους κοντά στο κατώφλι αποδόμησης επιτρέπει δυναμικό έλεγχο της εστίασης του λέιζερ και κατά συνέπεια της πυκνότητας ενέργειας αποδόμησης, όταν η επιφάνεια η οποία σαρώνεται παρουσιάζει έντονο ανάγλυφο. Επιπλέον, η εργασία δείχνει ότι η εξέταση της κινητικής κατανομής των εκπεμπόμενων ιόντων μπορεί να αποτελέσει μια τεχνική ευαίσθητης παρατήρησης και ελέγχου της διαδικασίας της αποκατάστασης έργων τέχνης με λέιζερ. Ειδικότερα, η χρήση femtosecond λέιζερ εμφανίζει ιδιαίτερες δυνατότητες για την αποκατάσταση έργων τέχνης που περιλαμβάνουν μεταλλικά υποστρώματα.