автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Исследование взаимодействия лазерного излучения с нанографитными пленками для создания фотоприемника на оптическом выпрямлении

На правах рукописи

Зонов Руслан Геннадьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С НАНОГРАФИТНЫМИ ПЛЕНКАМИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ФОТОПРИЕМНИКА НА ОПТИЧЕСКОМ ВЫПРЯМЛЕНИИ

Специальности: 05.11.14 - «Технология приборостроения» 05.11.13 - «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ижевск - 2006

Работа выполнена в Институте прикладной механики УрО РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

Михеев Геннадий Михайлович

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Соболев Валентин Викторович

кандидат физико-математических наук Подшивалов Алексей Алексеевич

Ведущая организация: Институт электрофизики УрО РАН (г. Екатеринбург)

Защита диссертации состоится «_9_»_июня_2006г. в 14 часов

на заседании регионального диссертационного совета ДМ 004.013.02 при Институте прикладной механики УрО РАН по адресу: 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34, тел. (3412) 50-82-00.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью,

просим направлять по адресу:

426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной , 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИПМ УрО РАН. Автореферат разослан « /в » С* И Р^/ _2006 г.

Ученый секретарь диссертационного совета. ___

доктор технических наук, профессор

В.В. Тарасов

¿сое А

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Диссертационная работа посвящена разработке оптоэлектронных устройств на основе исследований оптических и нелинейно-оптических свойств нового нанографитного пленочного материала с использованием наносекундных источников мощного лазерного излучения.

Объектом исследования являются нанографитные пленки, выращенные методом плазмохимического осаждения из смеси метана и водорода.

Предметом исследования являются методы и средства лазерной обработки материалов мощным лазерным излучением наносекундной длительности.

Актуальность темы. Приборостроение постоянно нуждается в пополнении элементной базы для создания более совершенных устройств. Поэтому одним из самых важных этапов технологии приборостроения является изыскание и внедрение новых материалов. В связи с этим в последние годы наблюдается растущий интерес к изучению оптических и нелинейно-оптических свойств наноуглеродных материалов. Известно, что углеродные нанотрубки используются в качестве холодных катодов для создания плоских панельных дисплеев, в осветительных приборах и для разработки малогабаритных источников рентгеновского излучения. Растворы различных форм наноуглеродных материалов проявляют нелинейно-оптические свойства и могут являться оптическими переключателями и ограничителями лазерного излучения (лимитерами).

Нелинейно-оптические свойства могут проявлять не только взвеси углеродных нанотрубок в растворах, но и их пленочные структуры на различных подложках. Технологии изготовления углеродных пленок довольно хорошо изучены и применяются для получения различных пленок, в том числе и нанографитных. Обычно наноуглеродные пленки представляют интерес как холодные катоды, обладающие аномально низким пороговым значением напряженности электрического поля, вызывающего туннелирование электронов с поверхности в вакуум [1-4]. Однако особенности взаимодействия мощного лазерного излучения с такими пленками до последнего времени не были изучены. Для технологии оптоэлектронного приборостроения представляет интерес изыскание наноуглеродных материалов, обладающих нелинейно-оптическими свойствами. Одним из интересных нелинейно-оптических эффектов для оптоэлектроники с применением углеродных материалов является эффект оптического выпрямления

ЭОВ является примером нелинейного взаимодействия мощного лазерного излучения со средой и обычно наблюдается в нелинейно-оптических кристаллах. Этот эффект проявляется при прохождении мощного лазерного импульса через нелинейно-оптический кристалл. В результате в кристалле возникает электрическая поляризация, изменяющаяся во времени пропорционально огибающей мощности лазерного импульса. Если на торцах нелинейно-оптического кристалла имеются металлические электроды, то поляризация _ приводит к появлению между

(ЭОВ).

электродами импульсного напряжения, временная форма которого повторяет форму лазерного импульса. Время релаксации электронной поляризуемости, ответственной за ЭОВ имеет порядок около 10"15с. Из этого вытекает возможность применения указанного эффекта для создания генераторов сверхкоротких импульсов для целей микроэлектроники, быстродействующих фотопреобразователей для регистрации формы лазерных импульсов и т.д.

Обычно для регистрации сверхкоротких световых импульсов используются приемники излучения на основе внешнего и внутреннего фотоэффектов. Из приемников, основанных на внешнем фотоэффекте, используются вакуумные фотодиоды, т.е. фотоэлементы (ФЭ). Быстродействие ФЭ ограничено разбросом времен пролета фотоэлектронов от катода к аноду и переходными процессами в контуре фотоэлемент-нагрузка. Коаксиальные ФЭ, например, имеют время нарастания переходной характеристики порядка Ю"10с. Наряду с относительно большими габаритными размерами одним из основных недостатков коаксиальных ФЭ является необходимость подачи на них высокого напряжения около (0.1-1) кВ.

Полупроводниковые приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта, такие как, pin и лавинные фотодиоды имеют малые размеры (размер светоприемной части около 1 мм2), работают при невысоких уровнях постоянного напряжения и обеспечивают время нарастания переходной характеристики (10"®-10"9) с. Одним из основных недостатков лавинных фотодиодов является требование поддержания рабочего напряжения с высокой точностью.

Временное разрешение датчиков, основанных на ЭОВ, во много раз превосходит быстродействие существующих в настоящее время фотоприемников. За счет этого эффекта возможно прямое преобразование мощности сверхкороткого лазерного импульса в импульс электрического напряжения, повторяющий форму лазерного импульса. Это позволяет использовать ЭОВ в приборах для измерения длительности импульсов мощного лазерного излучения. Сверхкороткие электрические импульсы, полученные с помощью ЭОВ, могут быть применены в скоростной цифровой технике. Линейный характер зависимости амплитуды сигнала ЭОВ от мощности лазерного излучения позволяет создавать измерители мощности лазерного излучения.

Основным препятствием широкого использования ЭОВ в оптоэлектронных приборах является низкий коэффициент преобразования лазерной мощности в амплитуду импульса электрического напряжения известными нелинейно-оптическими кристаллами. Тем не менее, ЭОВ в настоящее время используется для генерации излучения терагерцового диапазона, находящего применения в медицине, молекулярной спектроскопии, для построения изображений скрытых объектов и.т.д.

В связи с этим, актуален поиск и исследование новых материалов, обладающих повышенным коэффициентом преобразования лазерной мощности в амплитуду импульса электрического напряжения при ЭОВ. Это позволит разработать оптоэлектронные приборы с лучшими характеристиками, работающих

на новых физических принципах, для различных задач технологии приборостроения.

Цель работы - разработка новых типов оптоэлектронных устройств на основе исследований оптических и нелинейно-оптических явлений, возникающих при взаимодействии мощного лазерного излучения с нанографитными пленками.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Наблюдение и исследование эффекта оптического выпрямления в нанографитных пленках.

2. Разработка быстродействующего фотоприемника мощного лазерного излучения из нанографитной пленки на основе эффекта оптического выпрямления и определение его основных характеристик.

3. Определение порога лазерного разрушения нанографитных пленок.

4. Исследование морфологии поверхности шероховатых нанографитных пленок после воздействия мощным лазерным излучением.

Методы исследования. В диссертации использован комплексный метод, включающий экспериментальные исследования и теоретическое обоснование полученных результатов. Работа выполнялась с применением физического моделирования, в теоретических исследованиях использовались теоретические основы взаимодействия лазерного излучения со средой и принципы нелинейной оптики. В экспериментальных исследованиях применялись теория измерения физических величин, статистические методы обработки результатов исследования, а так же методы научного эксперимента.

Достоверность результатов исследований и работоспособность созданных устройств подтверждена в широкомасштабной серии физических экспериментов. Обоснование теоретических утверждений выполнено с опорой на известные физические методы. Анализ экспериментальных данных проведен с соблюдением критериев достоверности статистических испытаний и физических измерений.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в том, что в нем:

1. Обнаружен ЭОВ в нанографитных пленках, возникающий на квадрупольном вкладе квадратичной по полю статической поляризации нелинейной среды нанографитного материала.

2. Показано, что при толщине нанографитной пленки в пределах (2-2.5) мкм наблюдается максимальная амплитуда сигнала ЭОВ.

3. Установлено, что амплитуда сигнала ЭОВ в нанографитной пленке в диапазоне длин волн (266-1900) нм возрастает обратно пропорционально длине волны.

4. Разработан быстродействующий широкополосный фотоприемник мощного лазерного излучения, работающий на ЭОВ в нанографитной пленке. Фотоприемник функционирует без внешнего источника питания и схем усиления импульсов, обеспечивает регистрацию лазерных импульсов в широком спектральном диапазоне

от 266 нм до 5000 нм с быстродействием менее 0.5 не, а его чувствительность на длине волны 1 ООО нм составляет 500 мВ/МВт.

5. Показано, что воздействие мощного линейно-поляризованного лазерного излучения на нанографитные пленки сопровождается возникновением в них пространственно-ориентированных структур. Ориентация структур, определяемая поляризацией лазерного излучения, связана с анизотропной абляцией нанографитного материала пленки, обусловленной поляризационной зависимостью коэффициентов поглощения и отражения света для непрозрачной шероховатой поверхности.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанный широкополосный быстродействующий фотоприемник мощного лазерного излучения из нового нанографитного материала может быть использован для измерения энергетических параметров импульсного лазерного излучения и изготовления датчиков пространственного расположения объектов, работающих на новом физическом принципе.

Работа выполнялась при поддержке INTAS (проект № 01-0254), РФФИ (проект № 04-02-96011) и «Фонда содействия отечественной науке».

Положения, выносимые на защиту

1. При наносекундном импульсном лазерном облучении проводящих нанографитных пленок, полученных методом плазмохимического осаждения на кремниевых подложках, возникает электрический импульс ЭОВ, форма которого повторяет форму лазерного импульса, а амплитуда существенно зависит от пространственной ориентации нанографитной пленки и поляризации лазерного излучения.

2. При облучении нанографитных пленок толщиной более 2 мкм оптическим излучением на длине волны 1064 нм импульс ЭОВ наблюдается при полном отсутствии фотоэлектрического сигнала, возникающего от кремниевой подложки. Максимальная амплитуда сигнала ЭОВ достигается при толщине нанографитной пленки в пределах (2-2.5) мкм.

3. Разработанный быстродействующий фотоприемник мощного лазерного излучения, состоящий из нанографитной пленки и двух параллельных электродов, расположенных на его поверхности, обеспечивает регистрацию наносекундных лазерных импульсов в широком спектральном диапазоне от 266 нм до 5000 нм с быстродействием менее 0.5 не. Максимальная чувствительность фотоприемника достигается при размерах светочувствительной пленки, близкой к диаметру пучка лазера.

4. Импульсная лазерная обработка нанографитных пленок линейно-поляризованным излучением с плотностью мощности более 18 МВт/см2 сопровождается анизотропной абляцией поверхности пленки, наблюдаемой в индикатрисе диффузно рассеянного на поверхности пленок излучения маломощного источника света.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на X International Conference "Laser - assisted Micro and Nanotechnologies" (Россия, Санкт-Петербург, 2003); VI Российской университетско-академической научно-практической конференции (Россия, Ижевск, 2004); Конференции молодых ученых КоМУ-2004 (Россия, Ижевск, 2004); Conference on Lasers and Electro-Optics/International Quantum Electronics Conference (San Francisco, California, USA, 2004); XXXVIII annual conference of the Finnish Physical Society (Oulu, Finland, 2004); IXIth international winterschool euroconference on electronic properties of novel materials/Molecular nanostructures (Kirchberg/Tirol, Austria, 2005); Школе-семинаре "Наноматериалы, нанотехнологии" КоМУ-2005 (Россия, Ижевск, 2005); International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Россия, Санкт-Петербург, 2005).

Публикации. Материалы диссертационной работы полностью отражены в научных изданиях. Общее число публикаций - 20, в том числе: положительное решение на выдачу патента РФ на изобретение, статьи в рецензируемых журналах -10, тезисы докладов конференций - 9.

Личный вклад. Результаты, изложенные в диссертации, получены лично соискателем. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов экспериментов выполнены совместно соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, включающего 147 источников. Работа изложена на 146 страницах, содержит 58 рисунков и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение содержит обоснование актуальности темы исследования, формулировку целей и задач, раскрывает структуру работы.

В первой главе «Эффект оптического выпрямления и его применения (обзор)» рассмотрен ЭОВ, возникающий в различных материалах. Описаны его основные отличительные особенности и приведены примеры наблюдения ЭОВ в различных нелинейно-оптических средах. Изложены основные перспективы применения ЭОВ с учетом современных тенденций развития науки. Основным достоинством ЭОВ является высокое быстродействие. Это свойство позволяет использовать ЭОВ в приборах для измерения длительности импульсов мощного лазерного излучения, получения сверхкоротких импульсов, измерения мощности лазерного излучения. В настоящее время, благодаря своим уникальным свойствам, ЭОВ находит новые интересные применения в области генерации терагерцового излучения. Терагерцовые волны интенсивно изучаются благодаря своим применениям в области спектроскопии, коммуникации и построения изображений скрытых объектов. В настоящее время уже предпринимаются попытки использования терагерцового излучения, однако для массового использования

требуются высокоэффективные перестраиваемые генераторы. ЭОВ является одним из самых эффективных способов получения терагерцового излучения в довольно широком спектре. Поэтому дальнейшее исследование ЭОВ представляет как фундаментальный, так и практический интерес, кроме того, является актуальным изыскание и внедрение новых материалов, обладающих нелинейно-оптическими свойствами.

Во второй главе «Технологическое оборудование» описаны приборы и оборудование, которые использовались при проведении экспериментов данной диссертационной работы.

Приведено описание УАО:Ы(13+-лазеров с пассивной модуляцией добротности и пассивной синхронизацией мод, изготовленных по оригинальной схеме, разработанной в лаборатории лазерной спектроскопии Института прикладной механики УрО РАН. Для получения оптических импульсов с различными длинами волн использовалось излучение второй (532 нм), третьей (354.7 нм) и четвертой (266 нм) гармоник УАО:Ыс13+-лазера. Преобразователи частоты во вторую, третью и четвертую гармоники были выполнены на кристаллах КТР, БКБР, ВВО. Так же в экспериментах использовалось излучение, полученное на эффекте вынужденного комбинационного рассеяния света (ВКР) в сжатом водороде на колебательном переходе Qol(l) с частотным сдвигом, равным 4155 см"1. Возбуждение ВКР генератора первой или второй гармоникой лазерного излучения позволяло получать достаточно мощные импульсы с длиной волны 433 нм (1-я антистоксова компонента при накачке ВКР генератора излучением с длиной волны 532 нм), 683 нм (1-я стоксова

Рис. 1. Оптическая схема исследования диффузного рассеяния света поверхностью нанографитных пленок. 1 - гелий-неоновый лазер, 2 - прерыватель пучка,

3 - исследуемая нанографитная пленка на квадратной кремниевой подложке,

4 - фотоэлектронный умножитель, ХУг - декартова система координат

компонента, длина волны накачки 532 нм), 1907 нм (1-я стоксова компонента, длина волны накачки 1064 нм). Кроме этого, для работы в ближнем ИК и среднем ИК диапазонах использовалось излучение параметрического лазера с накачкой второй гармоникой УАО:Ш3+-лазера. Он позволял получать мощные импульсы монохроматического излучения длительностью 10 не в диапазоне (1300-5000) нм.

Произведено сопряжение оптического микроскопа "ЫеорЬо! 32" с цифровой фотокамерой, что позволило получать цифровые изображения микроскопических объектов.

Модернизирован эллипсометр "ЛЭФ-ЗМ", конструкция которого позволяла снимать зависимости диффузно отраженного света с нанографитных пленок. Его оптическая схема после модернизации представлена на рис. 1.

В третьей главе «Исследование взаимодействия мощного лазерного излучения с нанографитными пленками» представлены результаты экспериментальных исследований взаимодействия мощного излучения УАО:Ш3+-лазера наносекундной длительности с нанографитными пленками, полученными методом плазмохимического осаждения [1-4] для использования в качестве холодных катодов.

Приведено описание свойств и состава изучаемых нанографитных пленок. Нанографитные пленки были изготовлены и аттестованы в МГУ им. М.В. Ломоносова на кафедре физики полимеров и кристаллов в лаборатории углеродных материалов. Как видно из рис.2 [1,2,4] основными структурными

элементами пленок являются кристаллиты неправильной формы, состоящие из нескольких (примерно 5-50) параллельных хорошо упорядоченных атомных слоев графита. Толщина кристаллитов находится в пределах (2-20) нм при размерах в других измерениях (1-3) мкм. Все кристаллиты имеют

преимущественную ориентацию атомных слоев в направлении нормали к поверхности подложки с отклонением не более 20 градусов. Расстояние между отдельными кристаллитами (0.5-1) мкм. Экспериментально определен порог оптического разрушения пленок, который составляет 18 МВт/см2. На рис. 3 приведено изображение пленки до (рис. За) и после (рис. 36) лазерной обработки. Обнаружено, что после облучения нанографитных пленок мощным импульсным поляризованным лазерным излучением, на поверхности значительно возрастает доля графитных кристаллитов, ориентированных перпендикулярно плоскости поляризации излучения лазера (см. рис. 36). Это проявляется в значительной

Рис. 2. Изображение нанографитной пленки, полученное с помощью электронного микроскопа.

анизотропии в индикатрисе диффузно рассеянного с поверхности пленок света под углом 90°. Результаты измерения зависимости интенсивности диффузно рассеянного излучения гелий-неонового лазера (/я) от угла поворота образца (0) показаны на рис. 4. Ориентационная зависимость поверхности исходного образца 1ц от /3 является относительно равномерной (см. рис. 4а). В то же время, после воздействия мощного лазерного линейно-поляризованного излучения, зависимость /к(Д) имеет иной характер с двумя явно выраженными максимумами при полном обороте пластины вокруг нормальной к поверхности пленки оси (рис. 46). При измерении угла вращения /3 относительно выбранного исходного направления максимумы зависимости /К(Д) соответствуют углам Дп«83° и /312«264°, при этом /? п- ¿Зп~180°

Для пояснения этих экспериментальных результатов рассмотрено взаимодействие лазерного пучка с поверхностью пленки, состоящей из полусферических образований. Для лучей лазера в плоскости ф, проходящей через произвольный диаметр полусферы, угол падения света а на поверхность полусферического образования будет определяться азимутальным углом в: а= | (90° - в) | (см. рис. 5). Коэффициенты отражения и поглощения для

Рис. 3. Изображение нанографитной Рис. 4. Зависимости интенсивности

пленки, полученное с помощью отраженного света гелий-неонового

электронного микроскопа до лазерной лазера от угла вращения образца а для

обработки (а) и после лазерной исходного образца (а) и после лазерной

обработки (б). обработки (б).

(б)

Рис. 5. Модельное представление взаимодействия пучка лазера, направленного перпендикулярно к поверхности с полусферой на поверхности: (а) - профиль сечения полусферы диаметральной плоскостью ф; (б) -вид сверху полушарового образования после обработки излучением лазера, поляризованным в плоскости ф.

О 20° 40" 60" №100'

а

8г

0 20' 40* 60" 80° 100°

а

Рис. 6. Расчетные зависимости коэффициентов поглощения А, (кривая 1), Лр(кривая 2) (а) и Ар/ А, (б) от угла падения /3 для графита на длине волны 1 мкм.

поглощающих сред существенно зависят от угла падения и поляризации света. Для оценки коэффициентов отражения были использованы точные формулы, описывающие коэффициенты отражения Лр и света поляризованного в плоскости падения (р-поляризация) и в плоскости перпендикулярной плоскости падения ($поляризация) для изотропных поглощающих сред [5]. Это позволило построить зависимости для коэффициентов поглощения Ар и А, для р- и «-поляризации от угла падения а, где Ар = 1 - Лр, Ав = 1 - Я, (рис. 6а). На рис. 66 показана зависимость Ар/А3 от а, построенная аналогичным образом. Из рис. 6 следует, что при а = 0 Ар = А$ = 0.48, а при а = 90° имеем Ар = Аь = 0. При изменении а от 0 до 90° коэффициент поглощения А3 монотонно уменьшается. Зависимость Ар от а носит иной характер. При о^ах = 66° коэффициент поглощения Ар р-поляризованного излучения имеет максимальное значение 0.67, в то время как, значение коэффициента поглощения А, в-поляризации равно 0.23. Таким образом, при а^ = 66° отношение Ар/А, = 2.9. При дальнейшем увеличении угла падения а отношение Ар/А3 монотонно возрастает.

Лазерная абляция и разрушение материала носит пороговый характер и зависит от коэффициента поглощения света. Следовательно, при некоторой плотности мощности лазерного излучения, поляризованного в плоскости падения ф (случай р-поляризации), абляция (или разрушение) графитового материала,

находящегося на точках сферической поверхности, имеющих азимутальные углы в <атах и в ~>ж- атах (см. рис. 5а), будет происходить значительно эффективнее, чем при s-поляризации. В случае линейно-поляризованного излучения лазера нагрев и последующее разрушение различных частей полусферических образований происходит анизотропно. С боковых частей таких образований за счет абляции материала преимущественно будут удалены сферические полусегменты, расположенные перпендикулярно к плоскости поляризации. В результате исходная полусферическая форма образований изменится, а их вид сверху приобретает форму криволинейной трапеции, параллельные стороны которой направлены перпендикулярно плоскости поляризации лазерного пучка (рис. 56). Форма графитных кристаллитов в исследованных пленках существенно отличается от полусферической, однако приведенный анализ позволяет понять механизм селективной абляции таких кристаллитов с различной ориентацией относительно направления поляризации лазера.

В четвертой главе «Наблюдение и исследование эффекта оптического выпрямления в нанографитных пленках» представлены экспериментальные результаты по наблюдению и исследованию ЭОВ в нанографитных пленках и его основные особенности.

Нанографитная пленка (см. рис. 7) 1 на кремниевой подложке 3 с помощью двух проводящих электродов 2 прижималась к диэлектрическому держателю 4. Амплитудное значение электрического сигнала ЭОВ, возникающего между электродами при импульсном лазерном облучении измерялось с помощью запоминающего осциллографа 5, а форма электрических импульсов наблюдалась на осциллографе с полосой пропускания 650 MHz. Экспериментально показано, что формы импульсов, полученных при облучении нанографитной пленки и узш-диода

2

Рис. 7. Схема эксперимента по наблюдению эффекта оптического выпрямления в нанографитных пленках. 1 - нанографитная пленка, 2 - электроды, 3 - кремниевая подложка, 4 - диэлектрический держатель, 5 - осциллограф.

наносекундными импульсами излучения YAG :Nd -лазера практически не отличаются. Исследованы зависимости амплитуды сигнала ЭОВ U от ориентации нанографитной пленки относительно пучка лазера и от мощности лазерного излучения. Эксперименты показали, что амплитуда U и полярность сигнала ЭОВ существенно зависят от ориентации нанографитной пленки относительно пучка лазера и поляризации лазерного излучения. На рис. 8а представлена зависимость амплитуды U от угла падения а для р- и s-поляризации лазерного излучения. При а=0 (нормальное падение луча на поверхность пленки) сигнал не наблюдается. Однако при увеличении абсолютного значения угла а начинает возрастать амплитуда U, как для s- так и для р-поляризованного излучения, и достигает экстремумов при значениях около ±(45-50)° (для р-поляризации). Эта зависимость описывается функцией вида F(a)sin2a, где F(a) - слабо меняющаяся а функция.

40л

(а) «so 25 0 Р / j \

VW* -50* -25^7 \ /25 -50 0' 25* 50* 75* а пленка

, луч лазера ^ ^электроды

Рис. 8. Зависимости амплитуды С/ импульсного электрического напряжения, возникающего между электродами, закрепленными на нанографитной пленке, от угла падения а (а) для р- и ¿-поляризации и угла вращения р (б) при т = 20 неД = 1064 нм и энергии лазерных импульсов 2 мДж.

На рис. 86 представлена зависимость и от угла поворота (3 исследуемой пленки с закрепленными электродами вокруг оси ОЫ (см. рис. 7), совпадающей с нормалью к поверхности, при фиксированном угле а=45° и ^-поляризации лазерного излучения. Видно, что эта зависимость описывается функцией вида совр. Таким образом, ориентационная зависимость амплитуды сигнала ЭОВ имеет вид /-Х а) Брасов р.

Эксперименты показали, что при фиксированных углах а и Р зависимости С/ от импульсной мощности ^лазерного излучения являются линейными (см. рис. 9).

Исследована спектральная чувствительность ЭОВ в нанографитных пленках в диапазоне длин волн (266-5000) нм. Из графика на рис. 10 видно, что в диапазоне длин волн от 1000 нм до 4000 нм чувствительность ЭОВ практически не меняется. В то время как в видимой области спектра, УФ и среднем ИК диапазоне

Рис. 9. Зависимости амплитуды и импульсного электрического напряжения, возникающего между электродами, закрепленными на нанографитной пленке, от мощности И'лазерных импульсов для р-поляризации (т = 20 не, X = 1064 им) при а=50°, р=0 (прямая 1) и а=-50°, 0=0 (прямая 2).

"I---1-■-1-■-1-■-г

1000 2000 3000 4000 5000

длина волны, нм

Рис. 10. Спектральная чувствительность эффекта оптического выпрямления в нанографитных пленках.

наблюдается увеличение чувствительности (до 3 раз для длины волны 266 нм и 5000 нм по сравнению с чувствительностью на длине волны 1064 нм).

Исследовано влияние толщины нанографитных пленок на эффективность генерации электрических импульсов посредством ЭОВ. Эксперименты показали, что при облучении поверхности чистой кремниевой подложки (без нанографитной

(а) "Л

Г 2 ¡00« 1 ГС

f s -

J ■ И

W

(б) 1 :

С Ьа т

Л

\

(в) I

I \ т -

а Ж

■

02 2 | :оо f 1С

X

А

_

(д) Л 20 нс

А-Г

Рис. 11. Формы электрических импульсов, возникающие между электродами на пленках толщиной менее 1 мкм (а), от 1 до 2 мкм (б, в) и более 2 5 мкм (г, д) при лазерном пятне, находящемся вблизи нижнего (а, б), верхнего (в) электродов, а также при его любом его положении (г, д), полученные с помощью запоминающего осциллографа (а-г) и осциллографа с полосой пропускания 250 МГц (д) по схеме эксперимента, представленной на рис. 7.

пленки), а также с нанографитной пленки толщиной менее 1 мкм, между электродами возникает фотоэлектрический сигнал, длительность которого по полувысоте составляет примерно 0.5 мкс (см. рис. 11а, рис. 12, кривая 1). Амплитуда этого сигнала существенно зависит от положения лазерного пучка на облучаемой поверхности относительно электродов (рис. 116, в). Следует отметить, что сигнал присутствует при любом угле падения луча на пленку, а также при любой ориентации электродов относительно плоскости падения.

При лазерном облучении

нанографитных пленок толщиной (1-2) мкм на переднем фронте фотоэлектрического сигнала возникает наносекундный фотоэлектрический сигнал - импульс ЭОВ (рис. 116, в, рис. 12, кривая 1, 2). Для него характерны ориентационные зависимости, т.е. его амплитуда и полярность существенно зависят от угла падения, поляризации излучения и от пространственной ориентации нанографитной пленки с электродами относительно падающего пучка лазера. Длительность этого сигнала по полувысоте составляет около 20 не (рис. 11 г, д, рис. 12, кривая 2), его форма повторяет форму огибающей лазерного импульса.

Эксперименты показали, что увеличение толщины пленок приводит к полному исчезновению фотоэлектрического сигнала микросекундной длительности (рис. 11 г, д). Амплитуда и импульса ЭОВ в зависимости от толщины пленки ведет себя иначе. Она принимает максимальное значение для пленок, толщиной (2-2.5) мкм (рис. 12, кривая 2). Дальнейшее увеличение толщины приводит к плавному уменьшению амплитуды II этого импульса.

Фотоэлектрический импульс,

Рис. 12. Зависимости амплитуды и фотоэлектрического сигнала с кремниевой пластинки (кривая 1) и сигнала оптического выпрямления (кривая 2) от времени выращивания ? или от толщины И нанографитной пленки.

возникающий между электродами для чистой кремниевой подложки и для пленок толщиной менее 2 мкм, объясняется хорошо известным эффектом Дембера, обусловленным разной подвижностью неравновесных электронов и дырок, возникающих в кремниевом материале при световом возбуждении. Очевидно, что увеличение толщины нанографитной пленки приводит к ослаблению мощности лазерного излучения, доходящей до кремниевой подложки, что сопровождается соответствующим уменьшением амплитуды сигнала. При толщине пленки более 2 мкм лазерное излучение полностью поглощается материалом нанографитной пленки, в результате чего сигнал, обусловленный эффектом Дембера полностью исчезает. Отсюда следует, что импульс ЭОВ не может быть связан с кремниевой подложкой, а он возникает при взаимодействии лазерного излучения с нанографитной пленкой, обладающей особыми структурными свойствами.

Уменьшение амплитуды импульса ЭОВ при А > 2.5 мкм объясняется значительным уменьшением величины межэлектродного сопротивления, которое *

шунтирует импульсное электрическое напряжение, возникающее на поверхности нанографитной пленки.

Приведено теоретическое рассмотрение ЭОВ в исследуемых нанографитных пленках. Экспериментально полученная зависимость амплитуды сигнала от углов а и р вида ,Г(а)8т2асо8р объясняется квадрупольным вкладом в квадратичную по

полю статическую поляризацию Рх{0) нелинейной среды. Амплитуда ЭОВ для р-поляризованного излучения может быть записана как:

г/ 3,1 мчу д

V = -4Л-f- -Xeff Sln а C0S Р -

р Lcosa w

-8я-2 *^ singeos 0 = - Ъ17с1)с^ eos « sin a eos/?-,

Icosa 1 {ifcosa+Jn2 -sin2a j

где L - длина электродов, ~ эффективная нелинейная

Á

восприимчивость второго порядка, S0 - поперечное сечение лазерного пучка, W -мощность лазерного пучка, tp, А,р - коэффициент пропускания и амплитуда прошедшей /»-компоненты электрического поля, соответственно, п - показатель преломления.

Пятая глава «Быстродействующий фотоприемник мощного лазерного излучения на основе ЭОВ и его характеристики» посвящена разработке конструкции быстродействующего нанографитного фотоприемника мощного лазерного излучения на основе ЭОВ и исследованию его основных характеристик, таких как быстродействие и размерный фактор.

На основе исследований предыдущей главы сконструирован фотоприемник мощного лазерного излучения, состоящий из нанографитной пленки, двух электродов и диэлектрического держателя, изображение которого представлено на рис. 13.

При облучении нанографитной пленки импульсами УАС:Ш3+-лазера с пассивной синхронизацией мод, длительностью по полувысоте 1.3 не (см. рис. 14), было определено, что передний фронт возникающего электрического импульса,

определяемый быстродействием нанографитного фотоприемника и регистрирующего прибора,

составляет 0.5 не, что соответствует времени нарастания используемого осциллографа. Это позволяет сделать вывод о том, что разрешение нанографитного фотодатчика лучше, чем 0.5 не.

Исследовалось влияние размеров нанографитной пленки на амплитуду U электрических импульсов ЭОВ. Было установлено, что увеличение межэлектродного расстояния приводит к прямо пропорциональному уменьшению U, а уменьшение ширины пластины вызывает возрастание U. При изменении длины электродов амплитуда U сначала увеличивается, а затем начинает плавно

Рис. 13. Изображение нанографитного фотоприемника. 1 - нанографитная пленка, 2 - электроды, 3 - диэлектрический держатель.

Рис. 14. Форма импульса УАО:Ш3+-лазера с пассивной синхронизацией мод,

зарегистрированная с помощью нанографитного фотоприемника.

уменьшаться, а достигает своего максимума при длине близкой к диаметру лазерного пятна на поверхности пленки. Все это свидетельствует о том, что с уменьшением размеров нанографитной пленки, как за счет уменьшения межэлектродного расстояния, так и за счет уменьшения расстояния между свободными краями, электрический сигнал возрастает. Это позволяет сделать вывод о том, максимальный сигнал достигается при уменьшении приемной части нанографитной пленки до размера лазерного пятна.

При ширине нанографитной пленки 5 мм и расстоянии между электродами 5 мм коэффициент преобразования световой мощности в амплитуду электрических импульсов на длине волны 1064 нм составляет 510 мВ/МВт. Это во много раз выше соответствующей эффективности генерации электрических импульсов ЭОВ в нелинейно-оптических кристаллах (около 18 мВ/МВт для кристалла ЮЗгР04).

Так же исследована локальная чувствительность фотоприемника на основе нанографитной пленки и фотоприемника на кремниевой пластине, изготовленного по аналогичной схеме. На рис. 15а показано изменение локальной чувствительности г) нанографитного пленочного фотоприемника при перемещении пучка лазера вдоль оси у, перпендикулярной электродам, при х = 0. Во всем диапазоне изменения у полярность сигнала ЭОВ остается постоянной. При перемещении пучка лазера вдоль оси х, параллельной электродам (у = 0), полярность сигнала ЭОВ также остается постоянной (рис 156). Однако в этом случае наблюдается максимальная чувствительность вблизи свободных краев фотоприемника.

На рис. 15в и 15г для сравнения представлены результаты аналогичных исследований, полученных для фотоприемника аналогичной конструкции, изготовленного из полированного кремния. Видно, что в этом случае зависимость Г|(у) при х = 0 (рис. 15в) существенно отличается от соответствующей зависимости (рис. 15а), полученной для нанографитной пленки. Полярность фотоэлектрического сигнала, возникающего в кремниевой пластине, меняет знак при переходе из области одного электрода в область другого электрода, а его амплитуда обращается в нуль вблизи значений у = 0. Результаты представленные на рис. 15г показывают, что перемещение пучка лазера по поверхности фотоприемника из кремниевой пластины параллельно оси * при у = + 4.5 мм (/) и при у-- 4.5 мм (2) приводит к

250т

150-■

СО а

100-'

50 0

-10 -ЬП

о

у, мм

5 ю

4(ЮТ

X, мм

Рис. 15. Зависимости локальной чувствительности фотоприемника г] из нанографитной пленки (а, б) и кремниевой пластинки (в, г) при сканировании луча лазера при х = 0 в направлении у, перпендикулярном электродам (а, в), а также в направлении х, параллельном электродам при у = 0 (б), у = + 4.5 мм (г, !), у = - 4.5 мм (г, 2).

незначительному уменьшению абсолютной величины г| при приближении к свободным краям пластины. Однако при этом значения г|(х), полученные при у = + 4.5 мм и у = - 4.5 мм, отличаются знаком. Необходимо особо отметить, что полярность фотоэлектрического сигнала, снимаемого с фотоприемника из кремниевой пластины, не зависит от угла падения. Существенное различие зависимостей т)(у), полученных для нанографитной пленки (рис. 15а) и кремниевой пластины (рис. 15в) дополнительно подтверждает различную физическую природу фотоэлектрических сигналов, возникающих в указанных материалах.

Таким образом, фотоприемник на основе нанографитной пленки обладает следующими отличительными особенностями: 1) преобразует наносекундные

световые импульсы в электрические импульсы соответствующей формы и длительности; 2) при фиксированном угле падения луча полярность сигнала не зависит от положения пучка на поверхности пленки; 3) амплитуда и полярность сигнала существенно зависят от угла падения; 4) чувствительность существенно зависит от размеров пленки, а также от длины и взаимного расположения электродов, используемых для измерения; максимальная чувствительность достигается при размерах фотоприемника, близких к размеру лазерного пятна на поверхности нанографитной пленки.

Аналогичный фотоприемник из кремниевой пластины обладает другими свойствами: 1) фотоэлектрический сигнал не воспроизводит форму лазерного импульса и примерно в 20 раз длиннее длительности падающих импульсов; 2) при фиксированном угле падения луча полярность сигнала меняется при изменении положения пучка лазера от одного электрода к другому; 3) при облучении одной и той же выбранной точки на поверхности фотоприемника полярность сигнала не зависит от угла падения; 4) при размерах фотоприемника близких к размеру лазерного пятна на поверхности кремниевой пластины амплитуда фотоэлектрического сигнала обращается в нуль.

На основании проведенных экспериментальных исследований дано качественное описание работы фотоприемника (см. рис. 16). Проводящая поверхность нанографитной пленки представима в виде сетки сопротивлений, каждое звено которой состоит из элементарного сопротивления г. При ориентации плоскости фотоприемника перпендикулярно плоскости падения лазерного луча и при угле падения отличном от нуля в зоне лазерного пучка на нанографитной пленке в результате ЭОВ возникает импульсная фото-ЭДС е. Часть тока, создаваемого этой импульсной ЭДС, протекает через сопротивление нагрузки Я,

1

М

Рис. 16. К пояснению работы фотоприемника, состоящего из нанографитной пленки 1 в виде сетки из элементарных сопротивлений г и двух электродов 2.

представляющее собой входное сопротивление регистрирующего прибора (осциллографа). Возникают также токи утечки по многочисленным замкнутым контурам (см. рис. 16). Эти токи не протекают через сопротивление нагрузки, а проходят в самой нанографитной пленке, следовательно, они не дают своего вклада в амплитуду регистрируемого сигнала, но могут значительно нагружать источник ЭДС. При изменении размеров светоприемной части фотоприемника часть этих контуров отсекается. Очевидно, что это приведет к перераспределению токов и при этом увеличится ток через нагрузку. Все это находится в соответствии с экспериментальными результатами.

В этой же главе описаны принципы построения устройств, основным элементом которых является нанографитный фотоприемник. К ним относятся: генератор сверхкоротких электрических импульсов, датчик углового положения и навигационная система.

В заключении сформулированы основные выводы и результаты диссертационной работы:

1. Экспериментально установлено, что разрушение нанографитных пленок происходит при плотностях мощности лазерного излучения более 18 МВт/см2. Порог исчезновения автоэлектронной эмиссии с поверхности нанографитных пленок в вакуум достигается при плотности мощности лазерного излучения 6.9 МВт/см2. Показано, что лазерная обработка нанографитных пленок может быть использована для изготовления холодных катодов с заданной формой эмитирующих участков, расположенных на поверхности пленок. Обнаружено, что воздействие мощного линейно-поляризованного лазерного излучения на нанографитные пленки сопровождается возникновением на них пространственно ориентированных структур. Указанные структуры ориентированны перпендикулярно плоскости поляризации лазерного излучения и образуются за счет анизотропной абляции материала пленки.

2. Обнаружено, что облучение нанографитной пленки импульсами лазерного излучения наносекундной длительности приводит к появлению в ней электрического импульса эффекта оптического выпрямления. Экспериментально показано, что амплитуда и полярность импульса эффекта оптического выпрямления, возникающего при лазерном облучении нанографитных пленок, существенно зависят от угла падения и поляризации излучения, а так же от пространственной ориентации нанографитной пленки и расположенных на ней электродов относительно падающего лазерного пучка. Максимальная амплитуда импульса оптического выпрямления достигается для /»-поляризованного излучения при угле падения (45°-50°) и при перпендикулярной ориентации электродов к плоскости падения.

3. Показано, что амплитуда импульса эффекта оптического выпрямления максимальна при толщине нанографитной пленки (2-2.5) мкм. Установлено, что при меньшей толщине пленки импульс оптического выпрямления наблюдается

совместно с фотоэлектрическим сигналом микросекундной длительности, возникающим от кремниевой подложки. В нанографитных пленках толщиной более 2 мкм импульс ЭОВ наблюдается в отсутствии сигнала от кремниевой подложки.

4. Разработан быстродействующий фотоприемник мощного лазерного излучения из нанографитной пленки, работающий на эффекте оптического выпрямления. Обнаружено, что амплитуда сигнала ЭОВ зависит от размеров пленки, а также от длины и взаимного расположения электродов, используемых при измерении. Показано, что максимальная чувствительность фотоприемника, состоящего из пленки с электродами и работающего без внешнего источника питания и дополнительных навесных элементов, достигается при размерах пленки, сравнимых с диаметром пучка лазера, и составляет более 500 мВ/МВт на длине волны 1064 нм. Показано, что фотоприемник можно использовать для регистрации импульсного лазерного излучения в широком диапазоне длин волн от 266 до 5000 нм с быстродействием менее 0.5 не.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Павловский И.Ю., Образцов А.Н. Автоматизированная установка для газофазного осаждения алмазных пленок в разряде постоянного тока // ПТЭ. -1998.-№1 -С.152-156.

2. Образцов А.Н., Павловский И.Ю., Волков А.П. Автоэлектронная эмиссия в графитоподобных пленках // ЖТФ. - 2001. - Т.71. - С.89-95.

3. Образцов А.Н., Волков А.П., Павловский И.Ю. и др. Механизм холодной эмиссии электронов из углеродных материалов // Письма в ЖЭТФ. - 1998. -Т.68. - Вып.1. - С.56-60.

4. Образцов А.Н., Волков А.П., Воронин А.И., Кощеев C.B. Регибридизация атомных орбиталей и полевая эмиссия электронов из наноструктурированного углерода // ЖЭТФ. - 2001. - Т.120. - С.970-978.

5. Михеев Г.М., Идиатулин B.C. Анизотропия поглощения мощного лазерного излучения в металлах // Квантовая электроника. - 1997. - Т.24. - №11. -С.1007-1011.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. Михеев Г.М., Зоиов Р.Г., Калюжный Д.Г., Попов А.Ю. Сопряжение оптического микроскопа "Neophot-32" с персональным компьютером // ПТЭ. -

2003. -№3. -С.164.

2. Mikheev G.M., Zonov R.G., Obraztsov A.N., Svirko Yu. P. Giant optical rectification effect in nanocarbon films // Applied Physics Letters. - 2004. - V.84. -№24. - P.4854-4856.

3. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов A.H., Волков А.П. Анизотропное лазерное испарение графитных пленок //ЖЭТФ. - 2004. - Т. 125. - Вып.З. - С.548-555.

4. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н., Свирко Ю.П. Оптическое выпрямление в углеродных нанопленках // ЖЭТФ. - 2004. - Т. 126. -Вып.5(11). - С.1083—1088.

5. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н., Свирко Ю.П. Наблюдение эффекта оптического выпрямления в наноуглеродных пленках // Письма в ЖТФ. -

2004. - Т.30. - Вып. 17. - С.88-94.

6. Mikheev G.M., Zonov R.G., Obraztsov A.N., Volkov A.P. Pulse laser processing of nano-carbon film structures // Proceedings of SPIE. - 2004. - V.5399. - P.184—191.

7. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов A.H., Волков А.П. Особенности лазерной обработки шероховатых графитоподобных пленок // Известия ВУЗов. Приборостроение. - 2004. - Т.47. - №10. - С.59-64.

8. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н., Волков А.П., Свирко Ю.П. Влияние толщины нанографитной пленки на импульс оптического выпрямления // Письма в ЖТФ. - 2005. - Т.31. - Вып. 13. - С.50-57.

9. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н., Волков А.П., Свирко Ю.П. Спектральная зависимость эффекта оптического выпрямления в нанографитных пленках // Письма в ЖТФ. - 2005. - Т.31. - Вып.З. - С. 11-17.

10. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н., Свирко Ю.П., Волков А.П. Быстродействующий фотоприемник мощного лазерного излучения на основе нанографитной пленки. // ПТЭ. - 2005. - № 3. - С.84-89.

П.Михеев Г.М., Образцов А.Н., Зонов Р.Г., Свирко Ю.П. Оптоэлектронное устройство // Положительное решение от 11.11.2005 на выдачу патента РФ на изобретение по заявке № 2004115871/09 (017039) от 25.05.2004.

12. Mikheev G.M., Obraztsov A.N., Zonov R.G., Volkov A.P. Pulse laser processing of nano-carbon film structures // Papers of X International Conference "Laser -Assisted Micro and nanotechnologies (LAM-X)". - Saint-Petersburg (Pushkin). Russia, 2003.-P.37.

13. Mikheev G.M., Zonov R.G., Obraztsov A.N., Volkov A.P., Svirko Yu.P. Wavelength dependence of the fast second-order nonlinearity of nanographite films // Papers of International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO 2005). - Saint-Petersburg. Russia, 2005. - IThK5 (CD).

А&96А

»-8 1

14.Mikheev G.M., Zonov R.G., Obraztsov A.N., Svirko Yu.P. Observation of the optical rectification effect in nanocarbon films // Proceedings of the XXXVIII annual Conference of the Finnish Physical Society - Oulu, 2004. - P.287.

15. Mikheev G.M., Zonov R.G., Obraztsov A.N., Svirko Yu. P. Giant optical rectification in nanographite // Finnish Optical Society (FOS). Proceedings of , Optics Days - Turku, 2004. - P.43. |

16. Зонов Р.Г. Наведенная ЭДС в нанографитных пленках при лазерном ' облучении // Конференция молодых ученых Физико-технического института

УрО РАН: Сборник тезисов докладов - Ижевск. Россия, 2004. - С. 17.

17. Mikheev G.M., Zonov R.G., Obraztsov A.N., Svirko Yu. P. Observation of highly efficient optical rectification in nanocarbon films // Proceedings of the Conference on Lasers and Electro-Optics/International Quantum Electronics Conference - San Francisco, California, USA, 2004. - P. IPD5.

18. Зонов Р.Г., Галкин A.H., Михеев Г.М. Влияние линейных размеров на величину эффекта оптического выпрямления // Сборник тезисов докладов. Школа-семинар КоМУ-2005 "Нанотехнологии и наноматериалы" - Ижевск. Россия, 2005. - С.30.

19. Mikheev G.M., Zonov R.G., Obraztsov A.N., Volkov A.P., Svirko Yu. P., Lyashenko D. A. Fast photoresponse of CVD nano-graphite films // Papers of the NT05: Sixth International Conference on the Science and Application of Nanotubes. - Gothenburg. Sweden, 2005. - P.l 10.

(http://www.fy.chalmers.Se/conferences/nt05/abstracts/P 110.html)

20. Mikheev G.M., Zonov R.G., Obraztsov A.N., Lyashenko D.A., Paivasaari K., Svirko Yu. P. Wavelength dependence of the fast photoresponse of nanographite films // Proc. of on Lasers and Electro-Optics/Int. Quantum Electronics Conf.(CLEO/QELS). - Baltimore. Maryland. USA, 2005. - P. 91.

Подписано в печать « 17 » апреля 2006г. Формат 60x84/16

Бумага "МопсМ". Печать офсетная усл. печ. л. 1,0. '

Тираж 100 экз. Типография ИПМ УрО РАН 426067, г. Ижевск, ул. Т. Барамзиной, 34 Лицензия на издательскую деятельность ИД № 04847 от 24.05.2001

УСЛОВНЫЕ СОКРАЩЕНИЯ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ЭФФЕКТ ОПТИЧЕСКОГО ВЫПРЯМЛЕНИЯ И ЕГО ф ПРИМЕНЕНИЯ (ОБЗОР).

1.1. Теоретические основы эффекта оптического выпрямления.

1.2. Характерные особенности ЭОВ.

1.3. Применения эффекта оптического выпрямления.

1.3.1. Измеритель мощности.

1.3.2. Генератор сверхкоротких электрических импульсов.

1.3.3. Генерация терагерцового излучения.

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ.

Ф 2.1. Наносекундные источники лазерного излучения в различных областях оптического спектра. щ 2.2. Оптический микроскоп "Neophot 32", сопряженный с цифровой фотокамерой.

2.2.1. Краткое описание микроскопа "Neophot 32 ".

2.2.2. Сопряжение микроскопа с цифровой фотокамерой.

2.3. Модернизация эллипсометра ЛЭФ - ЗМ для исследования диффузно рассеянного света.

Ф 2.3.1. Устройство и работа эллипсометра.

2.3.2. Модернизация эллипсометра.

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ С НАНОГРАФИТНЫМИ ПЛЕНКАМИ.

3.1. Свойства и состав нанографитных пленок.

3.2. Определение порога лазерного разрушения нанографитных пленок.

3.3. Особенности лазерной обработки нанографитных пленок.

3.3.1. Анизотропное лазерное испарение нанографитных пленок.

3.3.2. Модель анизотропной абляции.

ГЛАВА 4. НАБЛЮДЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА Щ ОПТИЧЕСКОГО ВЫПРЯМЛЕНИЯ В НАНОГРАФИТНЫХ ПЛЕНКАХ.

4.1. Экспериментальное наблюдение ЭОВ.

4.1.1. Формы импульсов. ф 4.1.2. Зависимости от ориентации нанаграфитной пленки.

4.1.3. Зависимости от мощности лазерного излучения.

4.2. Исследование спектральной зависимости ЭОВ.

4.3. Влияние толщины нанографитной пленки на ЭОВ.

4.4. Теоретическое рассмотрение ЭОВ в нанографитных пленках.

ГЛАВА 5. БЫСТРОДЕЙСТВУЮЩИЙ ФОТОПРИЕМНИК МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА ОСНОВЕ ЭОВ

5.1. Конструкция быстродействующего фотоприемника мощного

Ф лазерного излучения.

5.2. Исследование основных характеристик фотоприемника на ЭОВ.

5.2.1. Быстродействие фотоприемника.

5.2.2. Исследование влияния размерного фактора на чувствительность фотоприемника.

5.2.2.1. Влияние межэлектродного расстояния.

5.2.2.2. Влияние длины электродов.

5.2.2.3. Влияние ширины пленки.

5.2.2.4. Локальная чувствительность.

5.2.3. Сравнительное исследование фотоприемников из нанографитной пленки и кремниевой пластины.

5.2.4. Качественная модель нанографитного фотоприемника.

5.3. Возможные применения нанографитного приемника на основе ЭОВ

5.3.1. Регистрация формы импульсов лазерного излучения.

5.3.2. Генератор сверхкоротких электрических импульсов.

5.3.3. Датчикуглового положения.

5.3.4. Навигационная система.

Диссертационная работа посвящена разработке оптоэлектронных устройств на основе исследований оптических и нелинейно-оптических свойств нового нанографитного пленочного материала с использованием наносекундных источников мощного лазерного излучения.

Объектом исследования являются нанографитные пленки, выращенные методом плазмохимического осаждения из смеси метана и водорода.

Предметом исследования являются методы и средства лазерной обработки материалов мощным лазерным излучением наносекундной длительности.

Актуальность темы. Приборостроение постоянно нуждается в пополнении элементной базы для создания более совершенных устройств. Поэтому одним из самых важных этапов технологии приборостроения является изыскание и внедрение новых материалов. В связи с этим в последние годы наблюдается растущий интерес к изучению оптических и нелинейно-оптических свойств наноуглеродных материалов. Известно, что углеродные нанотрубки используются в качестве холодных катодов для создания плоских панельных дисплеев, в осветительных приборах и для разработки малогабаритных источников рентгеновского излучения. Растворы различных форм наноуглеродных материалов проявляют нелинейно-оптические свойства и могут являться оптическими переключателями и ограничителями лазерного излучения (лимитерами).

Нелинейно-оптические свойства могут проявлять не только взвеси углеродных нанотрубок в растворах, но и их пленочные структуры на различных подложках. Технологии изготовления углеродных пленок довольно хорошо изучены и применяются для получения различных пленок, в том числе и нанографитных. Обычно наноуглеродные пленки представляют интерес как холодные катоды, обладающие аномально низким пороговым значением напряженности электрического поля, вызывающего туннелирование электронов с поверхности в вакуум [1-4]. Однако особенности взаимодействия мощного лазерного излучения с такими пленками до последнего времени не были изучены. Для технологии оптоэлектронного приборостроения представляет интерес изыскание наноуглеродных материалов, обладающих нелинейно-оптическими свойствами. Одним из интересных нелинейно-оптических эффектов для оптоэлектроники с применением углеродных материалов является эффект оптического выпрямления (ЭОВ).

ЭОВ является примером нелинейного взаимодействия мощного лазерного излучения со средой и обычно наблюдается в нелинейно-оптических кристаллах. Этот эффект проявляется при прохождении мощного лазерного импульса через нелинейно-оптический кристалл. В результате в кристалле возникает электрическая поляризация, изменяющаяся во времени пропорционально огибающей мощности лазерного импульса. Если на торцах нелинейно-оптического кристалла имеются металлические электроды, то поляризация приводит к появлению между электродами импульсного напряжения, временная форма которого повторяет форму лазерного импульса. Время релаксации электронной поляризуемости, ответственной за ЭОВ имеет порядок около 10'15с. Из этого вытекает возможность применения указанного эффекта для создания генераторов сверхкоротких импульсов для целей микроэлектроники, быстродействующих фотопреобразователей для регистрации формы лазерных импульсов и т.д.

Обычно для регистрации сверхкоротких световых импульсов используются приемники излучения на основе внешнего и внутреннего фотоэффектов. Из приемников, основанных на внешнем фотоэффекте, используются вакуумные фотодиоды, т.е. фотоэлементы (ФЭ). Быстродействие ФЭ ограничено разбросом времен пролета фотоэлектронов от катода к аноду и переходными процессами в контуре фотоэлемент-нагрузка. Коаксиальные ФЭ, например, имеют время нарастания переходной характеристики порядка Ю"10 с. Наряду с относительно большими габаритными размерами одним из основных недостатков коаксиальных ФЭ является необходимость подачи на них высокого напряжения около (0.1-1) кВ.

Полупроводниковые приемники излучения на основе внутреннего фотоэффекта, такие как, pin и лавинные фотодиоды имеют малые размеры Л размер светоприемной части около 1 мм ), работают при невысоких уровнях постоянного напряжения и обеспечивают время нарастания переходной

8 9 характеристики (10" - 10") с. Одним из основных недостатков лавинных фотодиодов является требование поддержания рабочего напряжения с высокой точностью.

Временное разрешение датчиков, основанных на ЭОВ, во много раз превосходит быстродействие существующих в настоящее время фотоприемников. За счет этого эффекта возможно прямое преобразование мощности сверхкороткого лазерного импульса в импульс электрического напряжения, повторяющий форму лазерного импульса. Это позволяет использовать ЭОВ в приборах для измерения длительности импульсов мощного лазерного излучения. Сверхкороткие электрические импульсы, полученные с помощью ЭОВ, могут быть применены в скоростной цифровой технике. Линейный характер зависимости амплитуды сигнала ЭОВ от мощности лазерного излучения позволяет создавать измерители мощности лазерного излучения.

Основным препятствием широкого использования ЭОВ в оптоэлектронных приборах является низкий коэффициент преобразования лазерной мощности в амплитуду импульса электрического напряжения известными нелинейно-оптическими кристаллами. Тем не менее, ЭОВ в настоящее время используется для генерации излучения терагерцового диапазона, находящего применения в медицине, молекулярной спектроскопии, для построения изображений скрытых объектов и.т.д.

В связи с этим, актуален поиск и исследование новых материалов, обладающих повышенным коэффициентом преобразования лазерной мощности в амплитуду импульса электрического напряжения при ЭОВ. Это позволит разработать оптоэлектронные приборы с лучшими характеристиками, работающих на новых физических принципах, для различных задач технологии приборостроения.

Цель работы - разработка новых типов оптоэлектронных устройств на основе исследований оптических и нелинейно-оптических явлений, возникающих при взаимодействии мощного лазерного излучения с нанографитными пленками.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Наблюдение и исследование эффекта оптического выпрямления в нанографитных пленках.

2. Разработка быстродействующего фотоприемника мощного лазерного излучения из нанографитной пленки на основе эффекта оптического выпрямления и определение его основных характеристик.

3. Определение порога лазерного разрушения нанографитных пленок.

4. Исследование морфологии поверхности шероховатых нанографитных пленок после воздействия мощным лазерным излучением.

Методы исследования. В диссертации использован комплексный метод, включающий экспериментальные исследования и теоретическое обоснование полученных результатов. Работа выполнялась с применением физического моделирования, в теоретических исследованиях использовались теоретические основы взаимодействия лазерного излучения со средой и принципы нелинейной оптики. В экспериментальных исследованиях применялись теория измерения физических величин, статистические методы обработки результатов исследования, а так же методы научного эксперимента.

Достоверность результатов исследований и работоспособность созданных устройств подтверждена в широкомасштабной серии физических экспериментов. Обоснование теоретических утверждений выполнено с опорой на известные физические методы. Анализ экспериментальных данных проведен с соблюдением критериев достоверности статистических испытаний и физических измерений.

Научная новизна диссертационного исследования состоит в том, что в нем:

1. Обнаружен ЭОВ в нанографитных пленках, возникающий на квадрупольном вкладе квадратичной по полю статической поляризации нелинейной среды нанографитного материала.

2. Показано, что при толщине нанографитной пленки в пределах (2-2.5) мкм наблюдается максимальная амплитуда сигнала ЭОВ.

3. Установлено, что амплитуда сигнала ЭОВ в нанографитной пленке в диапазоне длин волн (266-1900) нм возрастает обратно пропорционально длине волны.

4. Разработан быстродействующий широкополосный фотоприемник мощного лазерного излучения, работающий на ЭОВ в нанографитной пленке. Фотоприемник функционирует без внешнего источника питания и схем усиления импульсов, обеспечивает регистрацию лазерных импульсов в широком спектральном диапазоне от 266 нм до 5000 нм с быстродействием менее 0.5 не, а его чувствительность на длине волны 1000 нм составляет 500 мВ/МВт.

5. Показано, что воздействие мощного линейно-поляризованного лазерного излучения на нанографитные пленки сопровождается возникновением в них пространственно-ориентированных структур. Ориентация структур, определяемая поляризацией лазерного излучения, связана с анизотропной абляцией нанографитного материала пленки, обусловленной поляризационной зависимостью коэффициентов поглощения и отражения света для непрозрачной шероховатой поверхности.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанный широкополосный быстродействующий фотоприемник мощного лазерного излучения из нового нанографитного материала может быть использован для измерения энергетических параметров импульсного лазерного излучения и изготовления датчиков пространственного расположения объектов, работающих на новом физическом принципе.

Работа выполнялась при поддержке INTAS (проект № 01-0254), РФФИ (проект № 04-02-96011) и «Фонда содействия отечественной науке».

Положения, выносимые на защиту

1. При наносекундном импульсном лазерном облучении проводящих нанографитных пленок, полученных методом плазмохимического осаждения на кремниевых подложках, возникает электрический импульс ЭОВ, форма которого повторяет форму лазерного импульса, а амплитуда существенно зависит от пространственной ориентации нанографитной пленки и поляризации лазерного излучения.

2. При облучении нанографитных пленок толщиной более 2 мкм оптическим излучением на длине волны 1064 нм импульс ЭОВ наблюдается при полном отсутствии фотоэлектрического сигнала, возникающего от кремниевой подложки. Максимальная амплитуда сигнала ЭОВ достигается при толщине нанографитной пленки в пределах (2-2.5) мкм.

3. Разработанный быстродействующий фотоприемник мощного лазерного излучения, состоящий из нанографитной пленки и двух параллельных электродов, расположенных на его поверхности, обеспечивает регистрацию наносекундных лазерных импульсов в широком спектральном диапазоне от 266 до 5000 нм с быстродействием менее 0.5 не. Максимальная чувствительность фотоприемника достигается при размерах светочувствительной пленки, близкой к диаметру пучка лазера.

4. Импульсная лазерная обработка нанографитных пленок линейно-поляризованным излучением с плотностью мощности более 18 МВт/см сопровождается анизотропной абляцией поверхности пленки, наблюдаемой в индикатрисе диффузно рассеянного на поверхности пленок излучения маломощного источника света.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на X International Conference "Laser - assisted Micro and Nanotechnologies" (Россия, Санкт-Петербург, 2003); VI Российской университетско-академической научно-практической конференции (Россия, Ижевск, 2004); Конференции молодых ученых КоМУ-2004 (Россия, Ижевск, 2004); Conference on Lasers and Electro-Optics/International Quantum Electronics Conference (San Francisco, California, USA, 2004); XXXVIII annual conference of the Finnish Physical Society (Oulu, Finland, 2004); IXIth international winterschool euroconference on electronic properties of novel materials/Molecular nanostructures (Kirchberg/Tirol, Austria, 2005); Школе-семинаре "Наноматериалы, нанотехнологии" КоМУ-2005 (Россия, Ижевск, 2005); International Conference on Coherent and Nonlinear Optics (Россия, Санкт-Петербург, 2005).

Публикации. Материалы диссертационной работы полностью отражены в научных изданиях. Общее число публикаций - 20, в том числе: положительное решение на выдачу патента РФ на изобретение, статьи в рецензируемых журналах - 10, тезисы докладов конференций - 9.

Личный вклад. Результаты, изложенные в диссертации, получены лично соискателем. Постановка задач исследований, определение методов их решения и интерпретация результатов экспериментов выполнены совместно соавторами опубликованных работ при непосредственном участии соискателя.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка, включающего 147 источников. Работа изложена на 146 страницах, содержит 58 рисунков и 2 таблицы.

Выводы к Главе 5.

1. Разработана конструкция простого нанографитного фотоприемника, работающего на эффекте оптического выпрямления, позволяющего преобразовывать энергию оптических импульсов в электрическую с чувствительностью около 500 мВ/МВт и быстродействием не хуже 0.5 не.

2. Фотоприемник из нанографитной пленки обладает следующими отличительными особенностями:

• работает без внешнего источника питания и дополнительных навесных элементов;

• преобразует наносекундные световые импульсы в электрические импульсы соответствующей формы и длительности;

• при фиксированном угле падения луча полярность сигнала не зависит от положения пучка на поверхности пленки;

• амплитуда и полярность сигнала существенно зависят от угла падения (см. п.4.1.2);

• чувствительность существенно зависит от размеров пленки, а также от длины и взаимного расположения электродов, используемых для его измерения, а максимальная чувствительность достигается при размерах ФП, близких к размеру лазерного пятна на поверхности нанографитной пленки.

Фотоприемник точно такой же конструкции из кремниевой пластины обладает совершенно другими свойствами:

• фотоэлектрический сигнал не воспроизводит форму лазерного импульса и примерно в 20 раз длиннее длительности падающих импульсов; 2) при фиксированном угле падения луча полярность сигнала меняется при изменении положения пучка лазера от одного электрода к другому;

• при облучении одной и той же выбранной точки на поверхности ФП полярность сигнала не зависит от угла падения;

• при размерах ФП близких к размеру лазерного пятна на поверхности кремниевой пластины амплитуда фотоэлектрического сигнала обращается в нуль.

3. Предложены варианты оптоэлектронных устройств (генератор сверхкоротких электрических импульсов, датчик углового положения, навигационная система), в которых может найти применение разработанный нанографитный фотоприемник.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Экспериментально установлено, что разрушение нанографитных пленок происходит при плотностях мощности лазерного излучения более 18 МВт/см . Порог исчезновения автоэлектронной эмиссии с поверхности нанографитных пленок в вакуум достигается при плотности мощности лазерного излучения 6.9 МВт/см . Показано, что лазерная обработка нанографитных пленок может быть использована для изготовления холодных катодов с заданной формой эмитирующих участков, расположенных на поверхности пленок. Обнаружено, что воздействие мощного линейно-поляризованного лазерного излучения на нанографитные пленки сопровождается возникновением на них пространственно ориентированных структур. Указанные структуры ориентированны перпендикулярно плоскости поляризации лазерного излучения и образуются за счет анизотропной абляции материала пленки.

2. Обнаружено, что облучение нанографитной пленки импульсами лазерного излучения наносекундной длительности приводит к появлению в ней электрического импульса эффекта оптического выпрямления. Экспериментально показано, что амплитуда и полярность импульса эффекта оптического выпрямления, возникающего при лазерном облучении нанографитных пленок, существенно зависят от угла падения и поляризации излучения, а так же от пространственной ориентации нанографитной пленки и расположенных на ней электродов относительно падающего лазерного пучка. Максимальная амплитуда импульса оптического выпрямления достигается для р-поляризованного излучения при угле падения (45°-50°) и при перпендикулярной ориентации электродов к плоскости падения.

3. Показано, что амплитуда импульса эффекта оптического выпрямления максимальна при толщине нанографитной пленки (2-2.5) мкм. Установлено, что при меньшей толщине пленки импульс оптического выпрямления наблюдается совместно с фотоэлектрическим сигналом микросекундной длительности, возникающим от кремниевой подложки. В нанографитных пленках толщиной более 2 мкм импульс ЭОВ наблюдается в отсутствии сигнала от кремниевой подложки.

4. Разработан быстродействующий фотоприемник мощного лазерного излучения из нанографитной пленки, работающий на эффекте оптического выпрямления. Обнаружено, что амплитуда сигнала ЭОВ зависит от размеров пленки, а также от длины и взаимного расположения электродов, используемых при измерении. Показано, что максимальная чувствительность фотоприемника, состоящего из пленки с электродами и работающего без внешнего источника питания и дополнительных навесных элементов, достигается при размерах пленки, сравнимых с диаметром пучка лазера, и составляет более 500 мВ/МВт на длине волны 1064 нм. Показано, что фотоприемник можно использовать для регистрации импульсного лазерного излучения в широком диапазоне длин волн от 266 до 5000 нм с быстродействием менее 0.5 не.

1. Косаковская З.Я., Чернозатонский JI.A., Федоров Е.А. Нановолоконная углеродная структура //Письма в ЖЭТФ. 1992. - Т.56. - С.26-30.

2. Satyanarayana B.S., Hart A., Milne W.I., Robertson J. Field emission from tetrahedral amorphous carbon //Appl. Phys. Lett. -1997. V.71. - P. 14301432.

3. BonardJ.—M., KindH., StockliTh. and Nilsson L.-O. Field emission from carbon nanotubes: the first five years //Solid-State Electronics. 2001. - V.45. -P. 893-914.

4. Band Y. В., Harter D. J., and Bavli R. Optical Pulse Compressors Composed of Saturable and Reverse Saturable Absorbers // Chemical Physics Letters. 1986.- V. 127. P.280-284.

5. Klaus Schneider, Stephen Schiller Multiple conversion and optical limiting in a subharmonic-pumped parametric oscillator // Optics Lett. 1997. - V.22 (6). -P. 363-365.

6. Xuan Sun, Yuenan Xiong, Ping Chen, Jianyi Lin and et.al. Investigation of an Optical Limiting Mechanism in Multiwalled Carbon Nanotubes // Appl. Opt. -2000. V.39( 12). - P. 1998-2001.

7. Elim H.I., Ji W., Ma G.H., and et.al. Ultrafast absorptive and refractive nonlinearities in multi-walled carbon nanotube film // Appl. Phys. Lett. 2004.- V.85(10). P.1799-1801.

8. Павловский И.Ю., Образцов A.H. Автоматизированная установка для газофазного осаждения алмазных пленок в разряде постоянного тока // ПТЭ. 1998. - № 1 - С. 152-156.

9. Образцов А.Н., Павловский И.Ю., Волков А.П. Автоэлектронная эмиссия в графитоподобных пленках // ЖТФ. 2001. - Т.71. - С.89-95.

10. Образцов А.Н., Волков А.П., Павловский И.Ю. и др. Механизм холодной эмиссии электронов из углеродных материалов // Письма в ЖЭТФ. 1998.- Т.68. Вып. 1. - С.56-60.

11. Образцов А.Н., Волков А.П., Воронин А.И., Кощеев С.В. Регибридизация атомных орбиталей и полевая эмиссия электронов изнаноструктурированного углерода // ЖЭТФ. 2001. - Т. 120. - Вып.4(10) -С.970-978.

12. Obraztsov A.N., Zolotukhin A.A., Ustinov А.О. et al., Chemical vapor deposition of carbon films: in-situ plasma diagnostics // Carbon. 2003. -V.41. - P.836-839

13. Mikheev G.M., Zonov R.G., Obraztsov A.N., Svirko Yu.P. Giant optical rectification effect in nanocarbon films // Appl. Phys. Lett. 2004. - V.84. -№. 24. - P.4854-4856

14. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов A.H., Свирко Ю.П. Оптическое выпрямление в углеродных нанопленках // ЖЭТФ. 2004. - Т.126. - № 5. -С.1083-1088.

15. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н., Свирко Ю.П. Наблюдение эффекта оптического выпрямления в наноуглеродных пленках // Письма в ЖТФ. 2004. - Т.30. - Вып. 17. - С.88-94.

16. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н., Волков А.П., Свирко Ю.П. Спектральная зависимость эффекта оптического выпрямления в нанографитных пленках // Письма в ЖТФ. 2005. - Т.31. - Вып.З. - С. 11 -17.

17. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н., Свирко Ю.П., Волков А.П. Быстродействующий фотоприемник мощного лазерного излучения на основе нанографитной пленки. // ПТЭ. 2005. - № 3. - С.84-89.

18. Измерение энергетических параметров и характеристик лазерного излучения / Под редакцией А.Ф. Котюка. М.: Радио и связь. - 1981. -288с.

19. Ярив А. Введение в оптическую электронику. М.: Высшая школа. -1983.-400с.

20. Жеребцов И.П. Основы электроники. Л.: Энергоатомиздат. - 1990. -352с.

21. Рыбкин С.М. Фотоэлектрические явления в полупроводниках. М.: Физматгиз. 1963. - 495с.

22. Гершунский Б.С. Основы электроники и микроэлектроники. К.: Вища школа. - 1989.-423с.

23. Гаванин В.А., Наумов А.В., Бугров П.В. Имульсная фотометрия. JL: Машиностроение. - 1978. - Вып.5. - 183с.

24. Ишанин Г.Г. Приемники излучения оптических и оптико-электронных приборов. Ленинград.: Машиностроение. Ленинградское отделение. -1986.- 175с.

25. Optical limiting and degenerate four-wave mixing in novel fiillerenes. Daniela Marciu. Dissertation submitted to the Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University. Blacksburg. Virginia. - Feb. 09, 1999.

26. Морозов Б.Н., Айвазян Ю.М. Эффект оптического выпрямления и его применения // Квантовая электроника. 1980. - Т.7. -№1. - С.5-33.

27. Ward J.F. Absolute Measurement of an Optical-Rectification Coefficient in Ammonium Dihydrogen Phosphate // Phys. Rev. 1966. - V. 143. - P.569-574.

28. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. Пер. с анг. / Под ред. Ахманова С.А. М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. Лит. - 1989. - 560с.

29. Bass М., Franken Р.А., Ward J.F., Weinreich G. Optical Rectification // Phys. Rev. Lett., 1962. - V.9. - P.446-448.

30. Бондаренко A.H., Кривощеков Г.В., Маренников С.И., Пестряков Е.В., Саввинных Г.А. Возбуждение ультразвуковых колебаний кристаллов под действием излучения ОКГ на рубине // ФТТ. 1966. - Т.8. - №8. - С.2490-2492.

31. Nahata A., Heinz T.F. Generation of subpicosecond electrical pulses by optical rectification // Optics Lett. 1998. - V.23. - №11. - P. 867-869.

32. GrafS., Sigg H., Bachtold W. High-frequency electrical pulse generation using optical rectification in bulk GaAs //Appl. Phys. Lett. 2000. - V.76. - P.2647-2649.

33. Bonvalet A., Joffre M., Martin J.L., Migus A. Generation of ultrabroadband femtosecond pulses in the mid-infrared by optical rectification of 15 fs light pulses at 100 MHz repetition rate // Appl. Phys. Lett. 1995. - V.67. - P.2907-2909.

34. Fattinger Ch., Grischkowsky D. Point source terahertz optics // Appl. Phys. Lett. 1988. - V.53. - №16. - P.1480-1482.

35. Sinyukov A.M., Hayden L.M. Generation and detection of terahertz radiation with multilayered electro-optic polymer films // Opt. Lett. 2002. - V. 27. -№1. —P.55-57.

36. Carey J.J., Bailey R.T., Pugh D. et al. Terahertz pulse generation in an organic crystal by optical rectification and resonant excitation of molecular charge transfer // Appl. Phys. Lett. 2002. - V.81. - №23. - P.4335-4337.

37. Морозов Б.Н. Измерение и стабилизация энергетических параметров лазерного излучения на основе явлений нелинейной оптики // Письма в ЖТФ. 1998. - Т.24. - №10. - С.76-79.

38. Ковалев А.А., Кондратенко П.С. Электромагнитные явления при оптическом выпрямлении лазерного импульса на периодической поверхности металла // Письма в ЖТФ. 1990. - Т. 16. - Вып.7. - С.75-79.

39. Kadlec F., Kuzel P., Coutaz J.-L. Study of terahertz radiation generated by optical rectification on thin gold films // Opt. Lett. 2005. - V.30. -№11.-P.1402-1404.

40. Kadlec F., Kuzel P., Coutaz J.-L. Optical rectification at metal surfaces // Opt. Lett. 2004. - V. 29. - P.2674-2676.

41. Ahn J., Efimov A.V., Averitt R.D., Taylor A.J. Terahertz waveform synthesis via optical rectification of shaped ultrafast laser pulses // Optics Express. -2003. V. 11. - №20. - P.2486-2496.

42. Khurgin J. Optical-generation of picosecond electrical pulses in asymmetric quantum-well structures placed in a transverse magnetic-field // Appl. Phys. Lett. 1990. - V.56. - №25. - P.2490-2492.

43. Auston D. H. and Glass A. M. Optical generation of intense picosecond electrical pulses // Appl. Phys. Lett. 1972. - V.20. - P.398-399.

44. Stepanov A.G., Kuhl J., Kozma I.Z. et al. Scaling up the energy of THz pulses created by optical rectification // Optics Express. 2005. - V.13. - №15. -P.5762-5768.

45. Jeon Tae-In, Grischkowsky D. Direct optoelectronic generation and detection of subps electrical pulses on sub-mm coaxial transmission lines // Appl. Phys. Lett. 2004. - V.85. - P.6092-6094.

46. Zhang W., Azad A.K., Grischkowsky D. Terahertz studies of carrier dynamics and dielectric response of n-type, freestanding epitaxial GaN // Appl. Phys. Lett. 2003. - V.82. - P.2841-2843.

47. McGowan R.W., Cheville R.A., Grischkowsky D. Direct observation of thegouy phase shift in THz impulse ranging // Appl. Phys. Lett. 2000. - V.76. -P.670-672.

48. Berry E., Fitzgerald A.J., Zinov'ev N.N. et al. Optical properties of tissuemeasured using terahertz pulsed imaging. Proceedings of SPIE: Medical Imaging 2003: Physics of Medical Imaging. 2003. - V.5030. - P.459-470.

49. Beard M.C., Turner G.M., Schmuttenmaer C.A. Terahertz spectroscopy // J. Phys. Chem. B. 2002. - V.106. - №29. - P.7146-7159.

50. Pashkin A., Kempa M., N'emec H. et al. Phase-sensitive time-domain terahertz reflection spectroscopy // Rev. Sci. Instrum. 2003. - V.74. - P.4711-4717.

51. N'emec H., Kuzel P., Garet F. et al. Time-domain terahertz study of defect formation in onedimensional photonic crystals // Appl. Opt. 2004. - V.43. -№9. - P. 1965-1970.h*

52. Nvemec H., Kadlec F., Kadlec C. et al. Ultrafast far-infrared dynamics probed by terahertz pulses: a frequency domain approach, ii. applications // J. Chem. Phys. 2005. - V.122. - P.l 04504.

53. Nahata A., Weling A.S., Heinz T.F. A wideband coherent terahertz spectroscopy system using optical rectification and electro-optic sampling // Appl. Phys. Lett. 1996. - V.69. - №16. - P.2321-2323.

54. Kadlec F., N"emec H., Kuzel P. Optical two-photon absorption in GaAs measured by optical pump terahertz probe spectroscopy. // Phys. Rev. B. -2004. - V. 70. - №8. - P. 125205(1-4).

55. Kadlec F., Simon P., Raimboux N. Vibrational spectra of superionic crystals (BaF2)l.*(LaF3>c// J. Phys. Chem. Sol. 1999. - V. 60. - №7. - P.861-866.

56. Fekete L., Hlinka J. Y., Kadlec F. et al. Active optical control of the terahertz reflectivity // Opt. Lett. 2005. - V.30. - P.1992-1994.

57. Zhang J., Grischkowsky D. Terahertz time-domain spectroscopy study of silica aerogels and adsorbed molecular vapors // J. Phys. Chem. B. 2004. - V.108. -P. 18590-18600.

58. Harmon S.A., Cheville R.A. Part-per-million gas detection from long-baseline THz spectroscopy // Appl. Phys. Lett. 2004. - V.85. - P.2128-2130.

59. Zhang J., Grischkowsky D. THz time-domain spectroscopy of sub-monolayer water adsorbed in hydrophilic silica aerogels // Optics. Lett. 2004. - V.29. -P.1031-1033.

60. Harde H., Zhao J., Wolff M. et al. THz time-domain spectroscopy on ammonia // J. Phys. Chem. A. 2001. - V. 105. - P.6038-6047.

61. Ferguson В., Wang S., Gray D., Abbot D., and Zhang X. -C. T-ray computed tomography // Opt. Lett. 2002. - V.27. - P. 1312-1314.

62. Toshiaki Hattori, Keisuke Ohta, Rakchanok Rungsawang and Keiji Tukamoto Phase-sensitive high-speed THz imaging // J. Phys. D: Appl. Phys. 2004. -V.37. -P.770-773.

63. Ни В., Nuss M. Imaging with terahertz waves // Optics Letters. 1995. - V.20. -P.1716-1718.

64. Cai Y., Brener I., Lopata J. et al. Design and performance of singular electric field terahertz photoconducting antennas // Appl. Phys. Lett. 1997. - V.71. -№15. - P.2076-2078.

65. Leemans W.P., Geddes C.G.R., Faure J. et al. Observation of terahertz emission from a laser-plasma accelerated electron bunch crossing a plasma-vacuum boundary // Phys. Rev. Lett. 2003. - V.91. - №7. - P.074802(l-4).

66. Stone M.R., Naftaly M., Miles R.E. et al. Electrical and radiation characteristics of semilarge photoconductive terahertz emitters // IEEE Trans. Microwave Theory and Tech. 2004. - V.52. - №10. - P.2420-2429.

67. DeFonzo A.P., Jarwala M., Lutz C. Transient response of planar integrated optoelectronic antennas // Appl. Phys. Lett. 1987. - V.50. - №17. - P.l 1551157.

68. Smith P.R., Auston D.H., Nuss M.C. Subpicosecond photoconducting dipole antennas // IEEE J. Quantum Electron. 1988. - V.24. - №2. - P.255-260.

69. Ни B.B., Darrow J.T., Zhang X.-C. et al. Optically steerable photoconducting antennas // Appl. Phys. Lett. 1990. - V.56. - №10. - P.886-888.

70. Richards P. L., Shen Y. R., and Yang К. H. Generation of far infrared radiation by picosecond light pulses in LiNb03 // Appl. Phys. Lett. 1971. - V.19 -P.320-323.

71. Auston D. H., Glass A. M., and Ballman A. A. Optical rectification by impurities in polar crystals // Phys. Rev. Lett. 1972. - V.28 - P.897-900.

72. Auston D. H, Cheung K.P., Smith P.R. Picosecond photoconducting Hertzian dipoles // Appl. Phys. Lett. 1984. - V.45 - P.284-286.

73. Hebling J., Stepanov A.G., Alm6si G., Bartal В., Kuhl J. Tunable THz pulse generation by optical rectification of ultrashort laser pulses with tilted pulse fronts // Appl. Phys. В 2004. - V.78. - P.593-599.

74. Xu L., Zhang X.-C. and Auston D.H. Terahertz beam generation by femtosecond optical pulses in electrooptic materials // Appl. Phys. Lett. 1992. - V.61 -P.1784-1786.

75. Wu Q. and Zhang X.-C. Ultrafast Electro-Optic Field Sensors // Appl. Phys. Lett. 1996. - V.68. - P. 1604-1606.

76. Lee Y.-S., Meade Т., DeCamp M., Norris T.B., and Galvanauskas A. Temperature dependence of narrow-band terahertz generation from periodically-poled lithium niobate // Appl. Phys. Lett. 2000. - V.77. -P.1244-1246.

77. Lee Y.-S., Amer N., and Hurlbut W. C. Terahertz pulse shaping via optical rectification in poled lithium niobate // Appl. Phys. Lett. 2003. - V.82. -P. 170-172.

78. Shan J., Weling A.S., Knoesel E. et al. Single-shot measurement of terahertz electromagnetic pulses by use of electro-optic sampling // Optics Lett. 2000. -V.25. - №6. — P.426-428.

79. Schall M., Jepsen P.U. Freeze-out of difference-phonon modes in ZnTe and its application in detection of THz pulses // Appl. Phys. Lett. 2000. - V.77. -№18. - P.2801-2803.

80. Cai Y., Brener I., Lopata J. et al. Coherent terahertz radiation detection: Direct comparison between free-space electro-optic sampling and antenna detection // Appl. Phys. Lett. 1998. - V.73. - №4. - P.444-446.

81. Coleman S., Grischkowsky D. Parallel plate THz transmitter // Appl. Phys. Lett. 2004. - V.84. - №5. - P.654-656.

82. Coleman S., Grischkowsky D. Parallel plate THz transmitter // Appl. Phys. Lett. 2004. - V.84. - P.654-656.

83. Dai J., Coleman S., Grischkowsky D. Planar THz Quasioptics // Appl. Phys. Lett. 2004. - V.85. - P.884-886.

84. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Калюжный Д.Г., Попов А.Ю. Сопряжение оптического микроскопа "Neophot-32" с персональным компьютером // ПТЭ. -2003. — №3. -С.164.

85. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н., Волков А.П. Анизотропное лазерное испарение графитных пленок // ЖЭТФ. 2004. - Т. 125. - Вып.З. -С.548-555.

86. Mikheev G.M., Zonov R.G., Obraztsov A.N., Volkov A.P. Pulse laser processing of nano-carbon film structures // Proceedings of SPIE. 2004. -V.5399. - P.184-191.

87. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов A.H., Волков А.П. Особенности лазерной обработки шероховатых графитоподобных пленок // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2004. - Т.47. -№10. - С.59-64.

88. Mikheev G.M., Zonov R.G., Kaluzhny D.G. Pulse laser processing of metal thin films on glass substrates // Proc. SPIE. 2004. - Vol.5399. - P.179-183.

89. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Калюжный Д.Г. Получение дифракционных структур при лазерной обработке металлических пленок // Известия ВУЗов. Приборостроение. 2004. - Т.47. - №8. - С.62-66.

90. Михеев Г.М., Калюжный Д.Г. Зонов Р.Г. Дифракционная решетка // Патент РФ на изобретение №2226284, G02B 5/18, 27/44 20.02.2002., Бюл. № 9. 2004.

91. Михеев Г.М., Малеев Д.И., Могилева Т.Н. Эффективный одночастотный•5 «liATiNd -лазер с пассивной модуляцией добротности и поляризационным выводом излучения // Квантовая электроника. 1992. - Т.19. - №1. - С.45-47.

92. Ищенко А.А. Строение и спектрально-люминесцентные свойства полиметиновых красителей. Киев: Наукова Думка. 1991. - 232с.

93. Малеев Д.И., Михеев Г.М., Могилева Т.Н. Лазер с модуляцией добротности с регулируемой длительностью импульса // ПТЭ. 1990. — №5.-С. 198-201.

94. Венкин Г.В., Михеев Г.М. ВКР-спектроскопия возбужденных колебательных состояний молекулы водорода // Квантовая электроника. -1985. Т. 12. - № 2. - С.394-397.

95. Stoicheff В.P. High resolution Raman spectroscopy of. gases, IX. Spectra of H2, HD and D2 // Can. J. of Phys. 1957. - V.35. - P.730-741.

96. New Digital Camera for Photomicrography // International Labmate. 2002.- V.27. № 5. - P.38.

97. Большой фотомикроскоп отраженного света NEOPHOT 32. Инструкция по эксплуатации. С ARAL ZEISS JENA.

98. Федотова И.В. Эллипсометрия тонких пленок / Методическая разработка для студентов. УдГУ. Ижевск. 1996. - 56с.

99. Godet C., Heitz Т., Bouree J.E. et al. Growth and composition of dual-plasma polymer-like amorphous carbon films // Appl. Phys. 1998. - V.84. -P.3919-3932.

100. Anders S., Anders A., Kortright J. B. et al. Vacuum arc deposition of multilayer X-ray mirrors // Surf. Coat. Technol. 1993. - V.61. - P.257-261.

101. Monteiro O. R., Delplancke-Ogletree M.-P., Brown I. G. Tungsten-containing amorphous carbon films deposited by pulsed vacuum arc // Thin Solid Films. 1999. - V.342. - P.100-107.

102. Соболев B.B., Тимонов А.П., Соболев В.Вал. Спектры оптических функций и переходов алмаза // Оптика и спектроскопия. 2000. - Т.88. -№2. - С.255-259.

103. Соболев В.В., Тимонов А.П., Соболев В.Вал. Структура и природа оптических переходов алмаза // Журн. прикл. спектр. 2000. - Т.67. - №3.- С.355-358.

104. Соболев В.В., Тимонов А.П., Соболев В.Вал. Спектры характеристических потерь алмаза // ФТТ. 2000. - Т.42. - №4. - С.632-636.

105. Zhu W., Kochanski G. P., Jin S., Seibles L. Defect-enhanced electron field emission from chemical vapor deposited diamond // Journal of Applied Physics.- 1995. V.78. - P.2707-2711.

106. Groning О., Kiittel O.M., Groning P., and Schlapbach L. Field emission properties of noncrystalline chemically vapor deposited diamond films // J. Vac. Sci. Technol. 1999. - В17(5). - P. 1970-1986.

107. Ralchenko V., Karabutov A., Vlasov I., et al. Diamond-carbon nanocomposites: applications for diamond film deposition and field electron emission // Diamond and Related Materials. 1999. - V.8. - P. 1496-1501.

108. Obraztsov A.N., Volkov A.P., Pavlovsky I. Field emission from nanoclustered carbon materials // Diamond and Related Mat. 2000. - V.9. -P.l 190-1195.

109. Obraztsov A.N., Volkov A.P., Nagovitsyn K.S., and et al. CVD growth and field emission properties of nanostructured carbon film // J. Phys. D: Appl. Phys. 2002. - V.35. - P.357-362.

110. Золотухин А.А., Образцов A.H., Устинов A.O., Волков А.П. Образование наноуглеродных пленочных материалов в газоразрядной плазме // ЖЭТФ. 2003. - Т. 124. - С. 1291-1297.

111. Birnbaum М. Semiconductor surface damage produced by ruby lasers // J. Appl. Phys. 1965. - V.36. - P.3688-3689.

112. Ахманов С.А., Емельянов В.И., Коротеев B.H., Семиногов В.Н. Воздействие мощного лазерного излучения на поверхность полупроводников и металлов: нелинейно-оптические эффекты и нелинейно-оптическая диагностика // УФН. 1985. - Т. 147. - Вып.4. -С.675-745.

113. Агеев В. П., Буйлов JI. JL, Конов В. Ии др. Взаимодействие лазерного излучения с алмазными пленками // Доклады Академии наук СССР. -1988. Т.ЗОЗ. -№3. - С.598-601.

114. Барсуков Д.О., Гусаков Г.М., Фролов А.И. Рост периодических структур на поверхности германия при воздействии импульсного лазерного излучения // Квантовая электроника. 1991. - Т.18. - №12. -С.1477-1480.

115. Banishev A.F., Golubev V.S., Khramova O.D. Study of the Key-Hole formation dynamics under high-power laser pulse action upon metals // Laser Phys. 1993. - V. 1. - №6. - P. 1198-1202.

116. Воронов В.В., Долгаев С.И., Лаврищев С.В., и др. Формирование конических микроструктур при импульсном лазерном испарении твердых тел // Квант, электроника. 2000. - Т.30(8). - С.710-714.

117. Пришивалко А.П. Отражение света от поглощающих сред. 1963. — Минск.: АН БССР. - 26с.

118. Михеев Г.М., Идиатулин B.C. Анизотропия поглощения мощного лазерного излучения в металлах //Квантовая электроника. 1997. - Т.24. -С.1007-1011.

119. Оптические свойства полупроводников. Справочник под ред. Гавриленко В.И. и др. 1987. - Киев.: Наукова Думка. - 198с.

120. Михеев Г.М., Зонов Р.Г., Образцов А.Н., Волков А.П., Свирко Ю.П. Влияние толщины нанографитной пленки на импульс оптического выпрямления // Письма в ЖТФ. 2005. - Т.31. - Вып. 13. - С.50-57.

121. Mikheev G.M., Zonov R.G., Obraztsov A.N., Svirko Yu.P. Observation of the optical rectification effect in nanocarbon films // Proceedings of the XXXVIII annual Conference of the Finnish Physical Society. Oulu, 2004. -P.287.

122. Mikheev G.M., Zonov R.G., Obraztsov A.N., Svirko Yu. P. Giant optical rectification in nanographite // Finnish Optical Society (FOS). Proceedings of Optics Days. Turku, 2004. - P.43.

123. Зонов Р.Г. Наведенная ЭДС в нанографитных пленках при лазерном облучении // Конференция молодых ученых Физико-техническогоинститута УрО РАН: Сборник тезисов докладов. Ижевск. Россия, 2004. -С.17.

124. Михеев Г.М., Могилева Т.Н., Попов А.Ю., Калюжный Д.Г. Автоматизированная лазерная система для диагностики водорода в газовых смесях // ПТЭ. 2003. - № 2. - С. 101-107.

125. Михеев Г.М. Эффективность прямого и обратного ВКР в водороде при монохроматической накачке // Квантовая электроника. 1991. - Т.18. -№3. - С.337-339.

126. Maier М., Kaiser W., Giordmaine J.A. Backward stimulated Raman scattering // Phys. Rev. 1969. - V.l77. - №2 - P.580-599.

127. Jacobs R.R., Goldhar J., Eimerl D., Browm S.B. and Murray J.R. High-efficiency energy extraction in backward-wave Raman scattering // Appl. Phys. Lett. 1980. - V.37. - P.264-266.

128. Венкин Г.В., Есиков Д.А., Малеев Д.И., Михеев Г.М. Энергетические характеристики ВКР на переходе Qn(l) колебательно-возбужденной молекулы водорода // Квантовая электроника. 1986. - Т. 13. - №2. -С.378-386.

129. Образцов А.Н., Волков А.П., Павловский И.Ю. и др. Роль кривизны атомных слоев в полевой эмиссии электронов из графитоподобногонаноструктурированного углерода // Письма в ЖЭТФ. 1999. - Т.69. -С.381-386.

130. Михеев Г.М., Образцов А.Н., Зонов Р.Г., Свирко Ю.П. Оптоэлектронное устройство // положительное решение от 11.11.2005 на выдачу патента РФ на изобретение по заявке № 2004115871/09 (017039) от 25.05.2004.

131. Зонов Р.Г., Галкин А.Н., Михеев Г.М. Влияние линейных размеров на величину эффекта оптического выпрямления // Сборник тезисов докладов. Школа-семинар КоМУ-2005 "Нанотехнологии и наноматериалы". -Ижевск. Россия, 2005. С.ЗО.

132. Гордиенко В.М., Гречин С.С., Иванов А.А., Подшивалов А.А. Высокоэффективная генерация второй и третьей гармоник излучения фемтосекундного хром-форстеритового лазера в нелинейно-оптических кристаллах // Квант, электроника. 2005. - Т.35(6). - С.525-526.