автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Развитие методов кинетической спектроскопии. Комплекс ПУЛС. Исследования и приложения

*•>= о Г, £ С 2

о \ I ■ ■ ь

Институт Точной Механики и Оптики

Ц-1 '-.п.т'- 'оукописи

ШИЛОВ ВАЛЕРИЙ БОРИСОВ!!1'

УДК 621.375.826+535.37

Развитие методов кинетической спектроскопии. Комплекс ПУЛС. Исследования и приложения.

Специальность:05.II.07 - Оптические и оптико-электронные

приборы

Диссертация на соискание ученой степени доктора технически наук в форме научного доклада.

Санкт - Петербург 1992

Работа выполнена в ВНЦ Государственный оптический институт им.С.И.Вавилова

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук,

профессор

доктор физико-математических наук, профессор

доктор физико-математических наук, профессор

Летохов В.С. Ермолаев В.Л. Альтшулер Г.Б.

Ведущая организация :Санкт-Петербургский Государственный

Унивеситет

Защита состоится " ¿- -' « с/нр^я 1991г. в "Ю" часов на заседании специализированного совета Д53.26.01 при Санкт-Пербургском институте Точной механики и Оптики (197101, Санкт-Петербург, ул. Саблинская 14).

С докладом можно ознакомиться в библиотеке ЛИТМО

Отзыв на доклад (в двух экзеплярах) просим направить по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета. ^

Доклад разослан " ¡3 " М& Я_1Э9£г<. / у

Ученый секретарь специализированного Д у /I

совета кандидат технических наук г^/ р-М.Красавцев

I.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Лазеры, вызвавшие интенсивное развитие когерентной, нелинейной и силовой оптики и реализацию казавшихся до этого недоступными значений плотности энергии и мгновенной мощности световых полей, а также разрешения по спектру и времени,не только революционно преобразовали оптику как таковую, но и стимулировали существенный прогресс во многих областях знания и современной техники. Развитие науки и техники на всех ее этапах в той или иной мере неизбежно связано с повышением скорости протекания самых различных процессов преобразования энергии,информации и вещества. Свет при исследовании этих процессов играет первостепенную роль. Во многих случаях, как например, при фотосинтезе, или в макетах лазерных термоядерных реакторов, в фотографии или телевидении, свет служит основным носителем энергии и информации. При этом очень быстро развиваемые новые лазерные диагностические методики, использующие нано-, пико- и фемтосекундные импульсы, превратились из экстраординарных в рабочие, и целый ряд новых направлений в оптике, опто-электронике,спектроскопии и других науках уже не может к настоящему моменту существовать и развиваться без современной лазерной техники. Особое место здесь занимают ультракороткие лазерные импульсы (УКИ) [1а-4а], [1,2], которые за последние десятилетия сжали тестируемые промежутки времени до 1СГ14:с ,тем самым довершив к сегодняшнему моменту сокращение на 14 порядков минимального временного интервала, начатого с I секунды 400 лет назад Галилеем.

Особая ценность пико- и фемтосекундных методов исследований связана с тем ,что в наши дни не только научные направления, но и технически важные решения ограничиваются релаксационными процессами, скорости которых до появления лазеров с синхронизацией мод измерялись только косвенными методами.

Из сказанного становится очевидной исключительная важность развития пико- и фемтосекундных методов, обеспечивающих возможность прямых измерений переходных процессов или использования нестационарности для определения скрытых параметров в веществе и приборах.

Таким образом, короткие лазерные импульсы могут быть применены к широкому кругу объектов (газы, жидкости, твердые тела, естественные и искусственные системы, приборы и т.д.) для возбуждения и исследования в них сверхбыстрых процессов (а иногда для управления ими) при высокой селективности выбора среди сопутствующих явлений. Здесь важно подчеркнуть, что такие импульсы могут использоваться и при развитии новых технологий и диагностик. Успешное использование всех возможностей, предоставляемых ультракороткими лазерными импульсами, требует создания развитой инфраструктуры измерительной и регистрирующей аппаратуры.

Эти и ряд других соображении» привели к необходимости развития новых лазерных методик и создания базового комплекта аппаратуры для пикосекундных исследований, названного комплекс ПУЛС (Пикосекундный Универсальный Лазерный Спектрометр). Термины "пикосекундаая спектроскопия", "пикосекундный спектрометр" сложились чисто исторически из-за первых применений УКИ в спектроскопических исследованиях. В настоящее время эти термины употребляются достаточно часто в связи с разнообразными кинетическими исследованиями, которые скорее можно отождествить с пикосекундной кинетической оптикой.

Видимо, под таким углом зрения следует рассматривать и комплекс ПУЛС, представляющий собой специализированный лабораторный центр для кинетических исследований оптическими методами различных быстрых процессов с разрешением ~10~12с.

Построение комплекса аппаратуры ПУЛС , завершенное в Государственном Оптическом Институте им. С.И.Вавилова в 1985 г. было продиктовано не только необходимостью обеспечения исследований разнообразных нестационарных явлений , но и создания нового поколения аппаратуры, способной стать промышленными прототипами.

Цель работы и основные задачи. Работа посвящена исследованию, разработке и развитию физических принципов и методов пикосекундной кинетической лазерной оптики, направлвнноа на решения задач изучения нестационарных процессов, развивающихся под действием световых импульсов в веществе, а также использование этих принципов и методов для реализации бесконтактной диагностики параметров различных объектов - от

полупроводниковых материалов и устройств микроэлектроники до живых структур in vivo.

При этом в задачи настоящей работы входило: -исследование физических процессов формирования и синхронизации ультракоротких лазерных импульсов различного спектрального диапазона*

-определение и оптимизация структуры исследовательского пикпсекундного центра;

-разработка алгоритма построения специализированной к кинетическим имерениям многоканальной лазерной и диагностической аппаратуры, а также элементной базы кинетических измерений;

-разработка методик кинетической спектроскопии многоатомных молекулярных объектов и фотоматериалов*

-исследования характеристик молекулярных систем в лазерных полях, процессов, протекающих в молекулярных центрах при развитии лазерной генерации и других явлений, в том числе разработка модельных представлений взаимодействия сложных молекул с интенсивными резонансными световыми полями*

-исследование процессов формирования скрытого изображения в голографических фотоматериалах.

-развитие новых нестационарных методик и диагностических средств бесконтактного неразрушающего контроля*

Научная новизна работы.

1. Разработана структура и алгоритм работы пикосекундного комплекса аппаратуры для многопрофильных исследований с использованием ультракоротких световых импульсов различного спектрального состава.

2. Разработаны и исследованы медоды многоканальной генерации ультракоротких световых импульсов в различных областях спектра с жесткой оптической синхронизацией между собой.

3. Разработан и исследован многоканальный лазерный источник пикосекундаых импульсов, впервые реализованний в виде объемной конструкции, отличающейся повышенной жесткостью и стабильностью.

4. Предложена новая схема перестраиваемого по частоте лазера с компенсацией разворота волнового фронта при использовании в качестве селективного элемента резонатора диффракционной решетки.

5. Разработаны и экспериментально апробированы многоканальные экспресс-методики исследования процессов преобразования световой энергии в сложных молекулярных системах и фотоматериалах.

6. Разработаны физические принципы пикосекундной нестационарной дефектоскопии материалов и синтетических структур. Впервые методы пикосекундной дефектоскопии применены для контроля параметров полупроводниковых материалов и структур современной микроэлектроники и показана возможность ее использования при подготовке производства и непосредственно в технологическом цикле, а также для аттестации готовой продукции.

Практическая значимость проведенных исследований.

1. Создан и введен в эксплуатацию комплекс ПУЛС как центр коллективного пользования. Элементная база комплекса ПУЛС использована при решении вопросов унификации оптико-механических элементов и узлов. Ряд разработок, проведенный по программе ПУЛС, внедрен на ЛОМО, НПЗ, УОМЗ, ЛИТМО и ГОИ.

2. Получены новые данные о поведении молекулярных систем в резонансных световых полях, требующие уточнения ряда представлений молекулярной спектроскопии.

3. Экспериментальные исследования кинетики формирования скрытого изображения позволили предложить новую модель фотопроцесса в галоидосеребрянных фотоматериалах.

4. Разработан метод экспресс-контроля качества полупроводниковых материалов и структур. Разработанная методика передана на объединение электронного производства "Светлана"(г.Санкт-Петербург).

5. Адаптация методов нестационарной оптической дефектоскопии к тестированию биообъектов позволила предложить новый клинический метод диагностики заболеваний мягких тканей человека и животных.

Основные положения, выносимые на защиту.

I. Принципы построения и структура многоцелевого комплекса аппаратуры для пикосекундных кинетических исследований.

2. Совокупность физических принципов и схемных решения многоканальных лазерных источников ультракоротких импульсов с оптической синхронизацией вторичных генераторов бегущей волны и резонаторного типа, работающих в различных спектральных диапазонах.

3. Явление аномального поведения сложных молекул в растворах в интенсивных резонансных световых полях в условиях насыщения поглощения. Модель кооперативного некогерентного парного взаимодействия молекул с интенсивным резонансным световым полем.

4. Эффект ИК световой сенсибилизации в галоидосеребрянных фотоматериалах, обнаруженный при исследованитии в пикосекундном масштабе времени кинетики формирования скрытого изображения.

5. Физические принципы нового направления неразрушающей дистанционной дефектоскопии - пикосекундной дефектоскопии полупроводников, а также развитие этой методики на диагностику биологических объектов в аспекте медицинских применений.

Личный вклад автора. Автором _ осуществлялись выбор направлений исследований, постановка и решение рассмотренных в диссертации задач. Автор является руководителем всех этапов работы и принимал непосредственное участие в исследованиях и разработках, представленных в докладе, выполненных в период I970-1990 г.г.

Апробация работы: Основные результаты докладывались на международных III, V и VI симпозиумах по сверхбыстрым процессам в спектроскопии (Минск, 1989* Вильнюс, 1987* Нойбрандербург, 1989)* международной конференции по люминесценцции (Ленинград, 1972)* международной конференции по взаимодействию электронов с сильными электромагнитными полями (Балатонфюред, 1972)* V, VI, VII, VIII, IX, X, XI Всесоюзных конференциях по когерентной и нелинейной оптике (Кишинев, 1970* Минск, 1972* Ташкент, 1974* Тбилиси, 1976* Ленинград, 1978* Киев, 1980* Ереван, 1982)* Всесоюзной конференции "Оптика лазеров" (Ленинград, 1987, 1990)* Всесоюзной школе по пикосекундной технике (Ереван, 1988)* XVII Всесоюзном съезде по спектроскопии (Минск, 1972)* Всесоюзном симпозиуме "Физические основы управления частотой вынужденного излучения (Киев, 1972)* Венгерской конференции по люминесценции (Сегед,

1976)* всесоюзных конференциях по лазерам на основе сложных органических соединений (Минск, 1975, Душанбе, 1977)* советско-французском симпозиуме по оптическому приборостроению (Москва, Вильнюс, 1989)* II советско-американском семинаре по линейным и нелинейным взаимодействиям лазерного и молекулярной динамике (Москва, Ленинград, 1990)* отраслевых семинарах по комплексу ПУЛС (Ленинград, 1986) и автоматизации оптических приборов (Ленинград, 1987)* международной выставке "Оптика-85" (Москва, 1985)* координационном совете Минвуза СССР по программе "Лазеры" (Ташкент, 1988* Ленинград, 1989)* сессии Совета по нелинейной Оптике при Президиуме АН СССР (Гродно, 1981)* Научном Совете по прикладным проблемам при Президиуме АН СССР (Москва, 1981), XLII чтениях им.Д.С.Рождественского (Ленинград, 1989),на XIV международной конференции по Когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991), на научно-техническом симпозиуме "Оптика-92" (международная выставка "Оптика-92", Москва, 1992).

2. СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ.

Раздел I. ОПТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕСТАЦИОНАРНЫХ И БЫСТРОПРОТЕКАЩИХ ПРОЦЕССОВ В ЦЕНТРАХ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ СВЕТА.

§1.1. Кинетическая лазерная оптика. Основы методики и требования к аппаратуре.

Одной из особенностей лазерного излучения является возможность генерации световых полей достаточно высокой интенсивности, при этом реализуются высокие вероятности оптических переходов, существенно сокращающих интервалы между естественными актами излучения и поглощения. Эта возможность принципиально позволяет использовать даже наносекундное лазерное излучение как средство исследования различного рода релаксационных процессов в центрах преобразования света, т.к. реально достижимы интенсивности, при которых обратные величины вероятностей вынужденных переходов Фс могут стать соизмеримыми

с длительностями релаксационных процессов Г5з,3]. Для сложных молекул эти значения реально достижимы уже при Ф фот/с ей

и реализуют характеристические времена переходов т <10*1 с. Однако использование наносекундных импульсов требует достаточно большего числа модельных предположений, специфических требований к объектам исследования и необходимости учета различных относительно медленных побочных факторов, что, естественно, приводит к необходимости сокращения длительности воздействия излучения на объект исследования. Такое сокращение может быть реализовано при использовании лазеров с синхронизацией мод. Здесь уже, если не требуется создания специальных условий (например, нелинейности различных типов), не обязательно использование импульсов больших мощностей. Требования к аппаратуре для реализации как косвенных, так и прямых оптических методов исследования нестационарных процессов часто существенно превышают уровень, предоставляемый промышленно выпускаемыми приборами. Это особенно можно отнести к аппаратуре, связанной к ультракороткими световыми импульсами.

51.2. Кинетические измерения при помощи наносекундных

импульсов.

Кинетические измерения при использовании лазерных импульсов длительностью во много раз превышающей характеристические времена изучаемых процессов строятся, как указывалось выше, на применении высоких интенсивностей световых полей. При этом по интегральным характеристикам (спектрам, интенсивностям вторичного свечения и т.д.) с использованием соответствующих модельных представлений извлекаются константы времени релаксационных процессов. На этих принципах построено большое количество экспериментов, именно на таких принципах развит метод РОС, который был реализован нами как средство исследования внутримолекулярных релаксаций в канале синглетных и синглет-триплетных переходов сложных молекул [4-11]. В определенной мере, развивая косвенные методы, подобные РОС,был создан методический и технический фундамент для реализации специализированной скоростной аппаратуры, способной к прямым измерениям быстрых нестационарных процессов. Метод PCO основан на

способности широкополосных лазеров к самоперестройке частоты излучения, обнаруженной Бассом и Штейфельдом [6а], Гиббсом и Келлогом [7а], и возможностью концентрировать в резонаторе лазера достаточно высокие интенсивности световых полей. Развивая метод РСС [4], мы сделали попытку получения количественной информации о молекулярных релаксационных процессах по данным о связи мощности и спектральной кинетики ^ (1;) генерации, а именно по смещению максимума полосы генерации в течение развития импульса:

и (Ф )- и (Ф )= -

г^ г' гту г' п»ь

Г п п

1| дп(Ф^)+дп*<Ф^)

где п, п соответственно населенности в основном и возбужденном состояниях Для реализации поставленной задачи была создана лазерная установка, содержащая помимо традиционнных приборов электронно-оптический хронограф с разрешением с [4,5].

Исследования позволили установить соответствие спектральной кинетики генерации типу сложной молекулы,в полном согласии с классификацией, предложенной Непорентом [8а,Эа]. Измерения осуществлялись как душ конденсированной [4-8], так и для паровой фаз [9]. Полученные данные позволили определить ряд характеристических релаксационных времен на базе модельных представлений, развитых в [II] и затем уточненных в [123. При исследовании влияния переходов в триплетное состояние на данные РСС генерация исследуемого раствора ИбЖ возбуждалась по оригинальной методике пикосекундными импульсами с наносекундным пьедесталом [13 3.

§1.3 Измерение нестационарных процессов с использованием ультракоротких импульсов.

Использование УКИ в своих схемных реализациях естественно вытекает из наносекундных опытов. Канонический алгоритм кинетических измерений с УКИ достаточно прост (см., например, [ЮаЗ). Время кодируется пространственной линейной мерой, используя фундаментальный факт постоянства скорости

света.Эксперимент в наиболее простых случаях оперирует с одним [141 или двумя [15] импульсами, в более сложных с несколькими (возбуждающе, подготавливающие и опрашивающие) [2]. Эти импульсы, распространяясь по нескольким каналам, должны встречаться на объекте исследования при регулируемом и устойчиво сохраняющемся запаздывании во времени с точностью до долей пикосекунд и лучше,т.е. до сотых и менее долей миллиметра оптического пути, достигающего часто многих метров. Применение в качестве линии задержки оптических многоступенчатых эшелонов существенно ускоряет процесс измерений, особенно в случае изучения необратимых процессов. Здесь для реализации считывания информации в реальном времени применяются современные средства регистрации с телевизионным входом, которые в сочетании с ЭВМ обеспечивают быструю обработку результатов даже с процедурой исключения "временной аппаратной функции", определяемой длительностью импульсов, их пространственным распределением, а также временным разрешением оптических затворов и хронографов.

Раздел II. ПИКОСЕКУНДНЫЙ КОМПЛЕКС ПУЛС.

§2.1 Назначение, принципы построения и состав комплекса.

Комплекс ПУЛС представляет собой специализированный центр для исследования процессов преобразования энергии, вещества и информации оптическими методами при использовании ультракоротких световых импульсов [16-19].

В процессе реализации аппаратуры ПУЛС помимо Государственного Оптического Института, как головной и базовой организации, принимало участие достаточно много академических и отраслевых организаций (ВНИИ ОФИ, НИИ ПФП, ИСАИ СССР, МГУ, ЛГУ, ВГУ, ЕГУ, Судоремонтный канонерский завод). Комплекс создавался под эгидой Совета по когерентной и нелинейной оптике Президиума АН СССР и всегда рассматривался как центр коллективного пользования.

Использование УКИ требует приять во внимание явление дисперсии групповых скоростей и недопустимость разворотов

волнового фронта, которые неизбежно приводят к изменению формы и длительности ультракоротких импульсов в измерительных трактах.

Эти соображения, а также учет быстрого динамичного•развития техники ультракоротких световых импульсов легли в основу технических решений при проектировании и построении комплекса ПУЛС [20].

Одним из основных отличий комплекса ПУЛС от известных лазерных установок подобного типа является возможность проведения экспрессных одноимпульсных многоканальных измерений, позволяющих исследовать как воспроизводящиеся, так и необратимые процессы.

Аппаратура комплекса ПУЛС представлена рис.1, который достаточно точно отражает реальный комплекс и позволяет представить его состав и основные связи его модулей.

Рис.1 Общий вид комплекса ПУЛС.

В состав комплекса входят: четырехканальный лазерный источник синхронизованных во времени пикосекундных импульсов, перестраиваемых по частоте* оптический полигон (стол) с системой пневмодемпфирования* комплект оптико-механических узлов для оперативного построения измерительных оптических схем практически любой сложности (элементная база оптических измерений)* комплект специализированной спектральной аппаратуры* набор

контрольно-измерительной аппаратуры и электронных средств приема и фиксации информации* система автоматической обработки информации, состоящая из ряда интерфейсных устройств и ЭВМ, системы электропитания и стабилизации режимов комплекса* сервисная система измерений и пульт управления.

§2.2 Многоканальный лазерный источник.

Лазерный источник ПУЛС установлен как целое на полигон, представляющий собой конструкцию, образованную четырьмя жестко скрепленными между собой чугунными плитами сотовой конструкции с общей площадью 12,5 м2.и, практически, занимает поверхность одной из них (рис.1, задний план) Несомненно, лазерный источник является одним из центральных модулей комплекса. В базовом варианте источник имеет 4 выходных канала. Этот вариант представлен на функциональной схеме рис.2. В состав источника входят лазерные устройства на неодимовом стекле, лазеры на красителях, параметрический генератор, преобразователи частоты на нелинейных кристаллах, оптические развязки, коммутаторы и т.д..

Рис.2. Схема лазерного источника. I- стартовый Ш-лазер, 2-селектор-выделитель, 3 и Э Ш-усилители,4

Ш-мультипликатор, 5 и 10 - канальные селекторы, 6,11,12,14 - генераторы гармоник, 7 -два канала лазеров на красителях, 8 - усилители на красителях, 13 - ПГС.

Необходимость концентрации столь большого числа лазерных устройств, суммарная оптическая длина которых составила около 37 метров, вынудила отказаться от традиционного линейного или плоскостного размещения и применить схему объемной многоэтажной компоновки, в которой отдельные функционально законченные модули

занимают ячейку, образованную продольными элементами жесткости из калиброванных инваровых стержней, и поперечными - из титановых галет, на которые крепятся оптико-механические узлы.

На оптический полигон от источника одновременно подается по 4 каналам несколько импульсов, независимо перестраиваемых по частоте от УФ до ИК области. Синхронность всех импульсов обеспечивается оригинальной схемой формирования импульсов излучения во всех каналах из исходного единичного [21]. Первичный импульс формируется из цуга лазера на фосфатном Ш- стекле (х=1,06 мкм) с пассивной синхронизацией мод методом столкновения импульсов в антирезонансном кольце [22]. После усиления в линейке усилителей и размножения импульсов в лазерном мультипликаторе [23] сформированная серия импульсов используется для накачки перестраиваемых по частоте лазеров на красителях. В зависимости от типа красителя предварительно производится соответствующее преобразование базовой частоты в ее гармоники. Выделенный из серии импульсов мультипликатора одиночный импульс базовой частоты после дополнительного усиления делится на три части и используется для стробирующей накачки усилителей на красителях, возбуждения сверхлюминесцентного параметрического генератора света (ПГС), а также для получения выходного импульса на базовой частоте в оконечном усилительном каскаде на Щ-стекле. Оконечный каскад имеет сменные лазерные головки с линейной апертурой 20 или 45 мм. Для получения набора дискретных длин волн (х.=1,055* 0,53* 0,35* 0,26 мкм) на выходе оконечного усилителя устанавливаются генераторы гармоник. Таким образом формируются 4 основных выходных канала лазерного источника: канал базовой частоты с дискретным набором гармоник и три канала с плавной перестройкой частоты, состоящих из 2 лазерных систем на красителях, перекрывающих диапазон от 0,3 до 0,9 мкм, и канала ПГС, расширяющего область перестройки до 1,5 мкм. Использование двух систем лазеров на красителях позволяет варьировать параметрами излучения в зависимости от требований опытов. Первая система, построения по обычной линейной схеме, несущей в своем резонаторе двупреломлякщий фильтр, дает возможность реализовать как одно-, так и многополосную генерацию [24], вторая, принципиально однополосная, использующая диффракционную решетку как селективный элемент резонатора, построена по оригинальной П-образной схеме с

геометрическим обращением волнового фронта [25].

Выходные параметры источника: длительность импульсов на базовой частоте д1;=3 - 9 пс, энергия па базовой частоте до Е%100 мДж. при использовании оконечного усилителя диаметром 45 мм и Е%20 мДк с усилителем диаметром 20 мм. Энергия импульсов в других каналах определяется спектральным положением, способом получения излучения и варьируется от десятков миллидаоулей до десятков микроджоулей.

52.3 Оптический полигон ПУЛС, элементная база.

Оставшиеся свободными остальные три плиты полигона являются оперативной зоной (~9 м?) и предназначены непосредственно для построения измерительных схем, (рис.2,передний план в центре).

Многокэнальность лазерного источника, перекрытие широкого спектрального диапазона и набор энергий представляют достаточно большие возможности при реализации пикосекундных кинетических исследований, что, естественно, приводит к большому разнообразию схем измерений, которые могут отличаться высокой сложностью и многоканальностью. Это определило включение в состав комплекса оптического полигона (ОП), который дает возможность быстрой сборки, юстировки, а также коррекции и перестроения схем эксперимента, обеспечивая при этом их механическую жесткость и стабильность. Необходимость сочетания таких противоречивых свойств, как мобильность и стабильность систем ОП, предъявило высокие требования к конструкции всех его элементов.

В составе ОП можно выделить следующие функциональные части:

1. Оптический стол, составленный из чугунных плит и установленный на фундаменте с помощью опор с пневматическим демпфированием [26].

2. Комплект унифицированных механических модулей, предназначенных для быстрой сборки и магнитного крепления на поверхности стола котировочных узлов - юстеров, обеспечивающих необходимые перемещения установленных на них оптических и оптоэлектронных деталей, узлов и приборов.

3. Комплект оптических элементов и узлов, включающий специальные элементы для кинетических измерений, а также набор

кварцевых кювет для жидкостей, газов и паров с необходимыми устройствами для вакуумирования и термостатирования.

4. Комплект преобразователей частот лазерного излучения методами нелинейной оптики, необходимых, непосредственно в измерительных схемах (в том числе автокорреляторы для измерений длительности лазерных импульсов).

На полигоне размещается также ряд специализированных оптоэлектронных устройств для измерений параметров излучения: длительности, мощности, энергии лазерных импульсов и вторичных свечений, а также для регистрации панорамного распределения интенсивности в световых полях.

Кроме того полигон снабжен периферийной аппаратурой, приборы которой устанавливаются на специальных демпфированных тележках и могут быть прикреплены к оптическому столу в любой зоне его периметра.

Унифицированные механические модули представляют собой законченные узлы, обеспечивающие линейное перемещение (Ь) или поворот (< Ф) вокруг одной или двух осей . Для сборки юстеров, необходимые модули послойно соединяются друг с другом с помощью быстросъемных винтовых стяжек либо эксцентриковых защелок. Модули, имеющие унифицированные посадочные и габаритные размеры (базовые - 110x110x25 мм3), представлены 3 группами по уровню точности: дЪ«1 мкм* 10 мкм* 0,1 мм и ьфа 3"* 30"* 30'. Наличие 3 групп точности и, соответственно, сложности изготовления позволяет оптимизировать затраты на элементную базу оптического полигона. Крепление собранных юстеров к оптическому столу производится с помощью оснований с магнитной фиксацией. Входящий в состав ОП оптический комплект представляет собой широкий набор оптических элементов и узлов в оправах, согласованных с посадочными зонами юстеров.

§2.4 Комплект спектральной и измерительной аппаратуры.

Энергосистема, система стабилизации и управления.

При проведении измерений с разложением излучения по спектру к столешницам полигона в любом выбранном месте может быть с помощью специальной системы крепления жестко подключен спектральный прибор (в комплект входят два прибора) с дискретным

переключением дисперсии. Узел крепления несет в себе пневмоконструкцию, позволяющую разгрузить локальные напряжения плиты полигона в месте его крепления к столешнице. Рис.1 представляет вариант установки спектральных приборов по обе стороны бокового стола полигона. Спектральные приборы дифракционные, двухканальные, рабочий диапазон 300 - 1500 нм, для перекрытия всего диапазона и смены дисперсий в приборе установлено 8 дифракционных решеток с различным числом штрихов (при использовании решетки 1800 штр/мм достигнуто разрешение лучше 0,02 нм). Спектральные приборы, обладая горизонтально расположенной входной щелью, легко сопрягаются с кинетическими измерительными схемами.

Для регистрации спектров, а также пространственных распределений световых полой в комплексе ПУЛС используются ТУ-камеры на ПЗС-матрицах [На], которые совместно с электронными блоками памяти [27] образуют оптические многоканальные регистраторы, названные нами РОМ [24], (совместная разработка с НИИ Прикладных Физических Проблем ). РОМ-ПУЛС обеспечивает регистрацию распределения светового поля с дискретизацией 256x256

9

точек с размером 23x30 мкм". ТУ-каналы совместно с точечными фотоприемниками (измерителями энергии - фотометрами без разрешения по пространству) образуют комплект средств приема и фиксации информации ПУЛС, в который входят 5 каналов РОМ и 8 каналов фотометров. Все приемные каналы через соответствующие интерфейсы подключены к системе автоматической обработки информации [28,29], выполненной на первом этапе на базе ЭВМ СМ-4, формирующей на своей основе совместно с рядом микро-ЭВМ и блоками памяти мини-ВЦ-ПУЛС. Применение системы сбора и обработки информации практически полностью исключило использование в экспериментах фотографической техники. Все входные устройства этой системы способны к автономной работе без подключения к ЭВМ.

Измерение длительности лазерных импульсов на комплексе ПУЛС осуществляется при помощи скоростных щелевых ЭОП-камер типа "Фемтохрон" (разрешение лучше I пс, управление разверткой лазерным разрядником [12а], совместная работа с ВНИИ Оптико-Физических Измерений) и "Агат СФ" (разрешение до 2 пс) [13а], а также одноимпульсными автокорреляторами, сопряженными с ТУ-трактами.

Электросистема комплекса обеспечивает импульсным электропитанием газоразрядные лампы накачки лазеров базовой частоты и электродвигателей помп, прокачивающих хладагенты, активные и пассивные жидкие среды лазерного источника.

Поддержание параметров комплекса в заданных значениях обеспечено системой стабилизации параметров, состоящей из блоков, контролирующих уровень энергии накачки лазерных камер (точность поддержания напряжения накачки в задающем Nd-генераторе базовой частоты 0,1% и около 0,5Ж для его усилителей), температуру активных лазерных тел, нелинейных кристаллов в лазерном источнике и на полигоне, температуру специальных печей для газовых опытов, а также температуру и влажность воздуха в помещениях ПУЛС.

Развитая сервисная система обеспечивает определенные удобства при отладке и проведении экспериментов, дает возможность работать с исследуемыми веществами в любом агрегатном состоянии, позволяет при необходимости подключать к измерительным схемам дополнительное оборудование, не входящее непосредственно в состав комплекса.

Управление и контроль за работой комплекса осуществляются с центрального пульта, расположенного в лазерном зале вблизи оптического полигона (рис.1, справа). В состав центрального пульта ПУЛС входят блок управления лазерным источником, ЭВМ-диспетчер, терминалы связи с базовой машиной,TV-мониторы для отображения текущей (в том числе и полутоновой) информации, а также данных обработки результатов измерений с базовой ЭВМ.

Раздел III НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ. КИНЕТИЧЕСКАЯ СПЕКТРОСКОПИЯ - ПИКОСЕКУНДНАЯ ОПТИКА.

§3.1 Основные направления исследований.

Направления исследований, развиваемых на ПУЛС, могут быть представлены в следующем виде:

I.Спектроскопия

Измерения кинетик внутри и межмолекулярных релаксаций в сложных молекулах и кристаллах. Спектроскопия усиления и насыщения, комбинацион-

ное рассеяние.

2.Нелинейная оптика, динамическая голография

Исследования преобразования частот в кристаллах и аморфных средах. ВКР-компрессия, спектрально-временная голография, оптическое управление формой импульсов.

3.Фотографические процессы

Кинетика формирования изображения.

скрытого

4.Метрология,диагностика

Аттестация фотометров, аттестация лазеров, исследования особенностей регистрации пространственных полей УКИ-излучения.

5.Новая технология,пико-секундная дефектоскопия

Оптические волокна, Р-центры, полупроводники.

6.Силовая оптика

Объемные и поверхностные разрушения, самофокусировка.

7.Медицина (перспектива)

8.Технические применения

Диагностика физиологических процессов и контроль за патологией и ее динамикой.

Унификация. Использование модульных решений ПУЛС в других приборах и установках.

Приведенные здесь направления еще раз показывают возможности ПУЛСа как центра коллективного пользования и демонстрируют те широкие возможности, которые предоставляются при использовании световых УКИ с соответствующей им элементной базой

§3.2 Пикосекундная спектроскопия сложных молекул.

В общем случае опыты с применением ультракоротких импульсов предполагают применение наборов, определенным образом следующих

друг за другом возбуждающих и опрашивающих импульсов.

В самом простом варианте нами использовался только один импульс, который за счет своей малой длительности при достаточной мощности позволил реализовать неравновесные условия возбуждения вынужденного комбинационного рассеяния (ВКР) [14,30] и исследовать спектральные особенности вынужденного излучения и резонансного ВКР в растворах ксантеновых красителей при различных формах накачки. Использование пикосекундной накачки при различных геометриях возбуждения позволили разделить линии рассеяния из возбужденного и основного состояния, что весьма существенно сложнее сделать, используя только наносекундные импульсы [31]. Наиболее распространенный двухимпульсный тип кинетических исследований (метод "накачка-проба" ) реализуется как возбуждение исследуемой системы одним коротким импульсом Ер, а затем после регулируемого промежутка времени «Jt осуществляется опрос этой системы с помощью другого короткого импульса Ер по изменению поглощения или другого оптического свойства релаксирующей системы. В зависимости от задачи и условий опыта импульсы Ер и Ег могут быть идентичны или различаться по длительности At, спектральному составу, взаимной поляризации и интенсивности. В [15] исследована кинетика усиления этанольного раствора родамина 6Н, где возбуждение Ер осуществлялось излучением на удвоенной частоте Nd-лазера, а опрос Е2 производился пикосекундным спектральным континуумом с использованием оптического эшелона. Условия опыта [15] подобраны так,что при возбуждении молекул не происходит изменения запаса колебательной энергии, и g(^) смещение в интервале времени 0-< 3,3 пс проявляет процесс формирования стационарной конфигурации ионной пары (R6®++Cl~) в возбужденном состоянии.

Кроме простейшей двухимпульсной реализации метода "накачка-проба" используются более сложные схемы, например, как в опьггах по исследованию нестационарного электронного основного состояния молекул дифенилполиена (ДФП), аналога зрительного пигмента [2,14а,15а]. В этих опытах использовалось уже 3 импульса: I-возбуждал исследуемый объект, 2-переводил возбужденные молекулы в нестационарное состояние (метод накачки вынужденным излучением), а 3-совершал опрос системы. При этом были реализованы две конфигурации эксперимента. В обеих в

качестве возбуждающего импульса использовалось излучение третьей гармоники Ш-лазернои системы' , затем через ¿>1=400 пс подавался импульс на частоте 2-гармоники, лежащей в пределах полосы флуоресценции ДФП, и уже относительно его в систему вводилось задержанное во времени опрашивающее излучение. В первом варианте опрашивающее излучение совпадало по частоте с накачкой, во втором представляло собой пикосекундный спектральный континуум.Как в первом, так и во втором вариантах опрашивающее задержанное излучение формировалось многоступенчатым оптическим эшелоном. Нестационарные спектры поглощения растворов ДФП при различных временах задержки, а также затухания нестационарного поглощения в области частот 24000 см-1 показали, что дезактивация переходного основного состояния, связанного с переходом из промежуточного состояния, находящегося несколько выше основного электронного состояния, в стационарное осуществляется с характеристическим временем 60 пс.

Методом "накачка-опрос" осуществлены экспресс-исследования просветления растворов ряда полиметиновых красителей, проведенных с использованием 15-ступенчатого зеркального оптического эшелона. Эти опьггы для полиметиновых красителей позволили определить значения времени затухания оптического просветления т^, причем величина ть вычислялась по экспериментальным данным с использованием специально разработанной программы для ЭВМ, учитывающей аппаратную функцию длительностей импульсов накачки и опроса и затухание накачки в оптически "толстом" слое, а также определить спектральную полосу просветления.

Сделанные в сопровождении с кинетическими опытами измерения энергетических кривых просветления Т=?(ЕХ) при тщательном контроле всех параметров (распределение поля накачки в растворе насыщаемого поглотителя, использование специально аттестованных фотометров, контроль длительности и формы) неожиданно показали расхождение почти на два порядка между экспериментальными кривыми и расчетами, сделанными на базе традиционных представлений об актах поглощения-излучения. Аналогичные данные были получены и для красителей ксантенового ряда. Сопоставление результатов, полученных при пикосекундном возбуждении, с наносекундными опытами, проведенными также с использованием регистрирующей аппаратуры ПУЛС (обработка результатов на основе пятиуровневой

энергетической молекулярной схемы [32]) с данными нетривиального развития флуоресценции при интенсивном лазерном возбуждении [16а,17а] позволили предложить новую модель, объясняющую на качественном уровне поведение молекул в интенсивных резонансных световых полях [33]. Модель развита в терминах эффективного преобразования когерентной накачки в некогерентную люминесценцию на основе кооперативного четырехфотонного резонансного преобразования энергии с одновременным участием двух молекул. Согласно предложенной модели воздействие интенсивного света на две молекулы, одна из которых возбуждена, а другая находится в нормальном состоянии, приводит к возможности обмена энергией между молекулами. Взаимодействие V, связывающее возбужденные молекулы с невозбужденнымии, может быть определена как

у=55 уе1й<Ц,>

Ьо) „ 81 в

где И,Не - радиусы-векторы возбужденных и невозбужденных молекул, й - волновой вектор монохроматического поля,

Е0-амплитуда поля, й-дипольный момент перехода, ш=т- стоксов сдвиг. Очевидно, что взаимодействие V достаточно велико и развитие процесса не может быть описано в рамках линейной теории. Можно предположить, что при достаточно высоких концентрациях молекул У уже не будет зависить от нее. Это подтверждено экспериментом - изменение концентрации в пределах 1014-1017см-3 слабо влияло на результаты измерений.1

§3.3. Исследования кинетики формирования скрытого изображения в серебросодержзщих фотоматериалах.

Исследования фотографических процессов могут быть проиллюстрированы данными по кинетике формирования скрытого изображения. Сразу отметим, что эти опыты являются типичными для экспериментов с необратимыми процессами. Подобные эксперименты не I_

Развитие этой работы доложено на международной конференции по когерентной и нелинейной оптике (Ленинград, 1991) [341.

могут быть осуществлены с использованием установок с накоплением данных и требуют именно экспресного режима измерений, являющегося основным в аппаратуре ПУЛС. В опытах с фотографическими материалами изучалось влияние неактиничного ИК-излучения х =1,06 мкм) на скрытое изображение, полученное актиничными излучениями (Зд, \д=0,53 мкм и 0,35 мкм) при пикосекундной длительности импульсов (д1=5пс) и пикосекундных относительных задержках (¿г=-30... +400 пс) между ними. Здесь [35] было обнаружено новое явление - "обратный эффект Гершеля" - облучение опережающим ИК импульсом не влияет на скрытое изображение, а отстающий относительно зд импульс зи усиливает до 3 -4 раз скрытое изображение по плотности, при условии, что задержка не превышает 300 -400 пс). Явление описано с помощью гипотезы о кинетическом равновесии заселения уровней центров формирования скрытого изображения и уровней центров рекомбинации [35,36].

53.4. Экспресс-диагностика лазерно-оптической аппаратуры, нелинейная и силовая огтгика. технические приложения.

Возможность одновременной регистрации аппаратурой ПУЛС большого объема информации использована для диагностики новых лазерных устройств, как серийного изготовления, так и опытных образцов. При этом первично осуществлялась аттестация приемных трактов. Здесь была решена такая важная задача, как градуировка и аттестация измерителей энергии пикосекундного лазерного излучения. Для этой цели использовались обьемные поглотители излучения, позволяющие при достаточно слабом затухании излучения при его распространении в поглотителе избежать влияния на измерения различных сопутствующих явлении таких, как ударные волны, поверхностные явления и т.д.

В качестве примера укажем на экспресс-измерения параметров лазеров для дальномеров и промышленного лазера (ЛОМО) ЛИ-С801 [37 ], а также контроль напряжений в волоконных световодах и характеристик кристаллов с центрами окраски и мягких диафрагм из них [38].

Эксперименты по нелинейной оптике могут быть представлены исследованиями по преобразованию частоты и компрессии пикосекундных импульсов при обратном вынужденном комбинационном

рассеянии. В последнем случае в метановой ячейке получено сокращение исходного импульса длительностью около 7 пс до величины 1,5 пс (регистрация осуществлялась непосредственно на скоростном хронографе "Фемтохрон").

Применение комплекса ПУЛС для исследования в области силовой оптики, по-видимому, не требует комментариев. Развитая диагностическая аппаратура и экспрессный режим измерений позволяют достаточно легко проводить опыты по объемным и поверхностным разрушениям, контролировать развитие

самофокусировки. В частности, на аппаратуре ПУЛС были осуществлены измерения порогов оптического пробоя образцов природного исландского шпата из различных месторождений.

Технические применения комплекса ПУЛС связаны с использованием конструкторских разработок его модулей в промышленных и лабораторных приборах (ЛОМО, НПЗ, УОМЗ, ЛИТМО), а также с решением в ГОИ вопросов унификации лазерных и оптикомеханических узлов. В качестве примера укажем,что на базе модульных конструкций комплекса ПУЛС (совместно с ЛИТМО) разработан комплект учебного лабораторного оборудования для лазерных специальностей высших учебных заведений, названный "МУЛ-1" (модульная учебная лаборатория)."

Раздел IV ОПТИЧЕСКАЯ ПИКОСЕКУНДНАЯ ДЕФЕКТОСКОПИЯ.

§4.1 Пикосекундная дефектоскопия полупроводниковых материалов.

Характеристики микроэлектронных и силовых полупроводниковых устройств существенно зависят от качества исходного материала и, в частности, от однородности пространственного распределения легирования. Быстрый и надежный контроль материала по этому параметру, не изменяющий его свойств, является одной из важных задач современного технологического цикла, которая может быть решена оптически в нестационарных условиях [39]. 2

"МУЛ-1" - представлялся на сессии координационного совета Минвуза СССР по программе "Лазеры" (Ленинград, 1989).

Степень легирования материала в различных участках может быть определена по соответствующим измерениям оптического поглощения (или обратного рассеяния). Большая часть наших исследований проведена 51-пластинами. В общем случае выражение для коэффициента поглощения может быть представлено в виде:

ЧЬ'^А-ЩЬ-Е)2 (4.1)

о

(где А-константа, Ё^-энергетический зазор между зонами, М-число носителей заряда и ?-уровень Ферми). Если количество инвертированных в зону проводимости электронов велико, уровень Ферми смещается и край поглощения сдвигается в область больших энергий (сдвиг Бурштеяна-Мосса). В [39] показано, что такой механизм может быть использован для безконтактного определения неоднородности легирования как сильно, так и для слаболегированных полупроводниковых материалов, т.к. при большой плотности светового потока происходит ионизация всех доноров (или акцепторов), включая глубокие примеси. Поэтому в областях полупроводника, где концентрация ионизованных доноров (или акцепторов) больше, суммарный коэффициент поглощения увеличивается за счет вклада непрямых переходов с участием ионизованных доноров.В этих условиях возрастает число свободных носителей заряда, что опять же приводит к дополнительному увеличению поглощения при непрямых переходах уже за счет электрон-электронных столкновений. Следовательно начальная большая концентрация ионизированных доноров приводит к более быстрой генерации электронно-дырочных пар в областях с большей концентрацией доноров (или акцепторов). Это явление можно рассматривать как процесс с положительной обратной связью.

Оптическая плотность (отражение) областей с большой концентрацией электронов и дырок соответственно увеличивается, что и дает возможность оптически регистрировать неоднородности легирования. Рассматриваемый механизм отражения (поглощения) является пороговым. Величина пороговой мощности Р определяется условием полной ионизации доноров (или акцепторов). Если длительность импульса меньше, чем время обратных переходов зона-донор, то величина Р определяется следующим выражением:

Р * Еб Г,ах/а(^)дг (4.2)

Оценка величины Р для Б1 (С=1015см_3) при дг=5 пс и х=1,06 мкм дает значение IО7Вт/см2.

Согласно 4.2 величина Р должна уменьшатся с ростом Д1;, если бы не существовало трех ограничения Д1;. Первое заключается в том, что дt должно быть меньше т (т-время переходов зона-примесь, т 10~1Осек). Второе ограничение связано с диффузией носителея заряда в зоне проводимости, ухудшающей пространственное разрешение измерения. Поэтому длительность импульса должна удовлетворять условию д^дЬ/У^ где дЬ-минимальное требуемое пространственное разрешение, Ус-диффузионная скорость. Третье условие связано с исключением необратимых воздействий. Если плотность энергии облучения, при которой возникают необратимые изменения полупроводника, Е, то д1 импульса должна удовлетворять неравенству д1;<Е/Р.

Экспериментально определенное значение Р для составляет величину ==5 ЧО7 Вт/см2, что согласуется с оценкой по формуле 4.2. Таким образом, для представленного оптического бесконтактного метода диагностики необходимо иметь излучение <100 пс и Р>5'107Вт/см2. При этом величина кванта света должна не сильно превышать энергию запрещенной зоны.

Исследование Б1-пластин и апробация предложенного метода 1391 осуществлены с использованием одиночных пикосекундных импульсов (д1;<10-11сек, \=1,06 мкс), разделенных на два канала -опорный и измерительный. Общие формирующие и изображающие оптические устройства обеспечивали полную пространственную эквивалентность обоих каналов. Отношение интесивностей прошедшего и падающего света для каждой точки образца, характеризующего светопропускание, определяет степень его легирования по пути луча. Время цикла измерений ( 200x100 точек) составило в наших условиях -I с, разрешение до I мкм.

Тестирование разработанного метода проведено на примере эталонных пластин ГИРЕДМЕТа, стандартных пластин, используемых в производстве ЛОЭП "Светлана", и специально приготовленных пластин с использованием масок.

§4.2. Экспресс-контроль эпитаксиальных_слоев_и

полупроводниковых структур. Пикосекундные методы в медицине.

На основе предложенного метода пикосекундноя дефектоскопии полупроводниковых материалов разработан и реализован дифракционный метод экспресс-контроля качества и толщины эпитаксиальных слоев и скрытых структур полупроводниковых микроэлектронных приборов [40].

Метод контроля эпитаксиальных слоев и скрьггых многослойных структур также использует основные свойства лазерного излучения с синхронизацией мод - малую длительность и достаточно высокую пиковую мощность при относительно низких значениях энергии в импульсе. Первое свойство позволяет исключить влияние диффузионных процессов в веществе на результаты измерений, второе использует нелинейные явления для увеличения контраста картин дифракции без заметного влияния дагаулевого тепла, вводимого в образец. Последнее свойство позволяет генерировать градиенты показателя преломления на границе подложка-слой, необходимого для реализации интерференции внутри слоя. При этом наблюдаемая картина интерференции не дополняется паразитной шумовой интерференцией от внешних сторон тестируемых пластин (при At<2D/cn, где D - толщина пластин).

Медицинские аспекты применения пикосекундных (в перспективе фемтосекундных) методов аналогичны рассмотренным выше вопросам пикосекундной дефектоскопии. Уже первые опыты с мягкими тканями in vivo показали перспективность использования ультракоротких световых импульсов для диагностики структуры и патологии мягких тканей, при этом достигается неинвазивность воздействия и реализуется возможность получения информации в реальном времени.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты сводятся к следующему:

I. Разработаны принципы построения и структура кинетической лазерной аппаратуры для нано- и пикосекундного диапазонов времени.

- Определена и оптимизирована структура исследовательского пикосекундного лазерного центра.

Предложены и иссследованы методы формирования и синхронизации ультракоротких лазерных импульсов различного спектрального диапазона. Разработана и исследована схема многоканального лазерного источника, реализующая предложенные метода и позволяющая осуществить взаимную синхронизацию лазерных генераторов различного типа и принципа действия.

- Предложена и исследована новая схема перестраиваемого лазера с геометрической автокомпенсацией разворота волнового фронта при использовании дифракционной решетки в качестве селективного элемента резонатора.

- Реализован, исследован и введен в эксплуатацию, как центр коллективного пользования, многоцелевой пикосекундный комплекс "ПУЛС", позволяющий исследовать различные приборы и устройства лазерной оптики, а также обратимые и необратимые процессы развивающиеся в веществе под действием света.

2. Выполнены теоретические и экспериментальные исследования релаксационных процессов преобразования энергии в сложных органических молекулах

- Разработаны и экспериментально апробированы одно- и многоканальные нано- и пикосекундные экспресс-методики исследований энергетических молекулярных структур и процессов преобразования света в них.

- Исследованы кинетики спектров усиления и генерации широкополосных лазеров на красителях, а также спектры резонансного вынужденного комбинационного рассеяния (РВКР) при нано- и пикосекундном возбуждении.

Определен и интепретирован ряд релаксационных характеристик сложных молекул, используемых в качестве активных и пассивных сред лазеров, а также модельных биосистем.

- по спектрам РВКР, измеренным при разных уровнях инверсной заселенности определены различия комбинационно-активных колебательных частот молекул семейства родаминов и пиронина в основном и возбужденном электронных состояниях и развита модель релаксационной перестройки молекулярной структуры в этих состояниях.

Исследованы особенности поведения сложных молекул в

интенсивных резонансных световых полях. Показана невозможность количественного описания исследованных явления в рамках классических представления о поглощении - излучении. Предложена новая модель кооперативного взаимодеяствия молекулярных пар с интенсивным резонансным полем, позволяющая непротиворечиво объяснить экспериментально наблюдаемые явления насыщения поглощения и аномального поведения люминесценции в этих условиях.

3. Выполнены экспериментальные пикосекундные исследования формирования скрытого изображения в мелкозернистых голографических галоидосеребянных фотоматериалах.

Обнаружен эффект световоя ИК-сенсибилизации чувствительности исследованных фотоматериалов в диапазоне времени О - 400 пс ("обратный эффект Гершеля")

- Предложена двухцентровая модель образования изображения на электронной стадии его формирования.

4. Развито новое направления неразрушающего бесконтактного контроля качества полупроводниковых материалов и структур -пикосекундная дефектоскопия.

-Разработаны физические принципы нестационарной оптической дефектоскопии.

Предложена и исследована новая методика контроля однородности легирования полупроводниковых материалов (на примере

- Предложена и исследована процедура экспресс-измерений толщин эпитаксиальных и скрытых слоев на полупроводниковых подложках.

Развит метод послойного контроля многослойных полупроводниковых структур.

Методы пикосекундной дефектоскопии адаптирован для медицинских целей диагностики здоровых и патологических мягких биотканей.

5. Развит ряд технических приложений физических методик и аппаратуры, разработанных на "ПУЛСе".

- экспресс- контроль оптических элементов, узлов и лазерной аппаратуры.

'- вопросы унификации элементной базы современной оптической и лазерной техники, разработка учебного лазерного оборудования.

- создана серия способных к автономной работе, модулей

"ПУЛС" (приборы и элементная база нового поколения) как прототипов для промышленного выпуска.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1. Непорент Б.С., Шилов' В.Б., Ионова С.И. Кинетическая спектроскопия сложных молекул. В сбонике Возбужденные молекулы. Л.Наука,1982 с.5-19.

2. Непорент Б.С., Богданов В.Л.Шилов В.Б., Ионова С.И. Кинетическая молекулярная спектроскопия. ОМП,1989,№1,с.45-52.

3. Шилов В.Б. Исследование пикосекундных релаксационных процессов при помощи наносекундных импульсов. Acta physlca et chemica. 1977,т.23,в.1,с.61-64.

4. Непорент Б.С., Шилов В.Б. К вопросу о смещении спектров генерации растворов красителей в процессе лазерной накачки. Опт.и спектр., 1971,т.30,в.6,с.1074-1080.

5. Непорент Б.С., Шилов В.Б., Лукомский Г.В. Спектральная кинетика генерации лазеров на растворах некоторых органических веществ. Опт.и спектр.,1973,т.35,в.3,с.535-539.

6. Непорент Б.С., Шилов В.Б., Лукомский Г.В., Крюков В.В. Спектральная кинетика излучения лазеров на растворах сложных органических веществ. Acta physlca et chemica. 1973,т.19,в.1-2,с.3-9.

7. Neporent B.S., Shllov V.B., Lukonraky G.V., Spiro Д.С. Relaxatlonal shift of the stimulated emission spectra of 9 rhodamlne dyes on laser pumping. Chemical physics letters.1974,v.27,n.3,h.425-429.

8. Шилов В.Б., Непорент Б.С., Лукомский Г.В., Спиро А.Г., Антонович Г.Н. Спектральная кинетика генерации растворов и релаксационные процессы в молекулах красителей. Квант.электроника, 1975,т.2,№ 9,с.1885-1892.

9. Непорент Б.С., Шилов В.Б., Лукомский Г.В., Крюков В.В. К вопросу о механизме смещения спектров генерации красителей при возбуждении излучением твердотельных лазеров. В сб. Лазеры с перестраиваемой частотой. Киев 1973, с.145-148.

10. Борисович H.A., Непорент Б.С., Шилов В.Б., Спиро А.Г., Тугбаев В.А., Лукомский Г.В., Антонович Г.Н., Субботенко Е.В. Кинетика спектров генерации ПОПОП в кондесированной и газовой

фазах. Журн.прик.спектр,1980, т.32, ИЗ, с.445-448.

11. Шилов В.Б., Непорент Б.С., Дукомский г.В. Определение вероятностей релаксационных процессов в . сложных органических молекулах по релаксационному смещению спектров генерации.Опт.и спектр.,I974,T.37,B.6,c.II86-II87.

12. Файнберг Б.Д., Шилов В.Б., Непорент Б.С., Спиро А.Г. Влияние колебательной релаксации на спе1сгральные характеристики вынужденного излучения сложных молекул. Опт.и спектр.,1979,т.47, в.4,с.699-707.

13. Непорент Б.С., Крюков В.В., Лукомский Г.В., Шилов В.Б. Спектрально-временные характеристики генерации растворов красителей при накачке серий ультракоротких импульсов. Опт.и спектр., 1973,т.35, в.3,с.531-534.

14. Спиро А.Г., Непорент Б.О., Шилов В.Б., Куля C.B. Спектральные характеристики вынужденных вторичных свечений и структурные особенности молекул ксантеновых красителей. Опт.и спектр.,1985,т.58, в.5,с.II87-II92.

15. Кузнецов В.В., Николаев Г.Е., Виноградов В.В., Шилов В.Б., Ушаров А.И. Журн.прик.спектр,1982, т.36, с.497-499.

16. Непорент Б.С., Шилов В. Б. Пикосекундный универсальный лазерный спектрометр ПУЛС. Изв.АН СССР, сер.физ.,1987,т.51,№ 6,С.1300-1308.

17. Neporent В.S., Shllov V.B. Picosecond universal laser spectrometer (PULS) Ultralast Phenomena In Spectroscopy, UPS-87,1988, Wold Scientific,Singapore, p.111-116.

18. Непорент Б.С., Шилов В.Б. А.Н.Теренин и кинетическая спектроскопия.Комплекс ПУЛС. Труды ГОИ 1987,т.65,в.199,с.12-19.

19. Непорент Б.С., Шилов В.Б. Пикосекундный спектрометр ПУЛС и исследование на нем. Сборник докладов IV советско-французского симпозиума по оптическому приборостроению. АН СССР M.1989,с.64-71.

20. Непорент Б.С., Зима В.Н., Шилов В.Б., Бакуев A.A. Многоканальный оптический комплекс для кинетических измерений. Авт. свид. И I480519, 1989.

21. Антонович Г.Н., Ермолаева Г.Н., Кононова Г.А., Кузнецов В.В., Миллер В.А., Непорент Б.С., Николаев Г.Е., Шилов В.Б. Многоканальная лазерная система для генерации ультракоротких импульсов. Авт. свид. № 1442025, 1988.

22. Виноградов C.B., Кузнецов В.В., Шилов В.Б. Особенности формирования УКИ методом столкновения импульсов в антирезонансном кольце. Третья Всесоюзная школа по пикосекундной технике. M.I988, с.27-28.

23. Шилов В.Б., Антонович Г.Н., Кузнецов В.В., Ермолаева Г.М. Генерация пикосекундных импульсов для спектроскопических целей с использованием регенеративного усилителя. Изв. АН СССР, сер.физ., 1984, Т. 48, № 3, с.500-502.

24. Виноградов C.B..Кузнецов В.В..Лютинский В.В..Назаров В.Н., Непорент Б.С., Николаев Г.Е., Позняк Р.И., Ревинский В.В., Соколов A.B., Товмасян O.K., Чернявский А.Ф., Шилов В.Б. Регистратор оптический многоканальный и его использование для исследования пикосекундного лазера ' на красителе. Журн.прик.спектр,1987, т.4В, ИЗ, с.514-518.

25. Кузнецов В.В., Непорент Б.С., Николаев Г.Е., Шилов Fi.Б. Перестраиваемый пикосекундный лазер на красителях. Авт. свид. № 1032978, 1983.

26. Зима В.В., Непорент Б.Cl, Шилов В.Б., Бакуев A.A. Оптический стол. Авт. свид. № I25I72I, 1986.

27. Кваченок В.Т., Лютинский В.В., Позняк Р.И.6 Ревинский В.В. Товмасян С.К., Чернявский А.Ф., Шилов В.Б. Автоматизированная система фиксации и обработки панорамных изображений. ПТЭД987,№2, с.219.

28. Вылегжанин Б.В., Лютинский В.В., Мякишева И.Н., Назаров И.В., Непорент Б.С., Соколов A.B., Шилов В.Б. Автоматизированная система обработки данных пикосекундных оптических измерений. Тезисы докладов I Отраслевого семинара "Автоматизация оптических приборов",1987, Л.,с.74-75.

29. Шилов В.Б., Лютинский В.В., Назаров В.Н., Соколов A.B., Мякишева И.Н., Вылегжанин Б.В., Беляев А.Г., Скрипкин С.П. Автоматизированная система для контроля параметров и настройки лазерных источников излучения. Тез.докл. 5-ой Всесоюзной конференции "Оптика лазеров",1987, Л.,с.189.

30. Спиро А.Г., Непорент Б.С., Шилов В.Б., Куля C.B., Антоневич Г.Н. Генерация и резонансное вынужденное комбинационное рассеяние растворами родамина 6Ж при различных формах накачки. Журн.прикл.спектр.1985,т.42, в.5,с.743-749.

31 Спиро А.Г., Непорент Б.С., Шилов В.Б. Спектры вторичного

свечения растворов родамина 6Ж при различных уровнях инверсной населенности. Журн.прикл.спектр.,1982,т.37, в.6,с.1045-1053.

32. Шилов В.Б., Непорент Б.С. Обратимое фотообесцвечивание растворов красителей в условии спонтанного и вынужденного излучения. Опт.и спектр.,1971,т.31, в.6,с.58-62.

33. Макогоненко А.Г., Мякишева И.Н., Смирнов В.А., Шилов В.Б. Сложные молекулы в интенсивных световых полях :поглощение и люминесценция. Опт.и спектр., 1991, т.70, в.4, с.795-800.

34. Шилов В.В., Смирнов В.А., Мякишева H.H., Макогоненко А.Г., Гудков Ю.П. Многоатомные молекулы в резонасных интенсивных световых полях: кооперативные явления в поглощении и свечении. XIV Международная конференция по когерентной и нелинейной оптике (КиНО'91), тезисы докладов, Ленинград, 1991, т.II, с.101.

35. Старобогатов И.О., Беляев А.Г., Виноградов C.B., Непорент Б.С., Николаев С.Д., Стаселько Д.И., Шилов В.Б. Пикосекундная кинетика первичных электронных процессов формирования скрытого изображения в микрокристаллах галоидного серебра.Письма в ЖЭТФ, 1987,т.46,fi 4,с.153-154.

36. Starobogatov I.O.,Belayev A.G., Neporent В.S.,NlKolaev S.D., Shllov V.B..Staselko D.I., Vinogradov S.V. Picosecond kinetic of electronic stage of latent Image formation In holographic silver halognlde emulsions.Ultraiast Phenomena In Spectroscopy, UPS-87,1988, Wold Scientific,Singapore, p.351-358.

37. Антонович Г.H., Виноградов C.B., Исянова Е.Д., Кузнецов В.В., Проворов А.М, Тарасова Ю.В., Ушаров А.И., Шилов В.Б. Измерение параметров излучения пикосекундного лазера ЛИ-С801 с использованием аппаратуры ПУЛС. Журн.ОМП,19ЭО, № 3, с.31-33.

38. Мокиенко И.Ю., Мякишева И.Н., Политимов А.Е., Шилов В.Б. , Щеулин A.C. Полосовой пространственный светофильтр для видимой и ИК областей спектра. Тезисы докладов VI Всесоюзной конференции "Оптика лазеров". Л-д, 1990, с.218.

39. Антонович Г.Н., Ионов А.Н., Ионов Л.Н., Непорент Б.С., Шилов В.Б., Шлимак И.С. Способ бесконтактного определения неоднородности легирования полупроводниковых материалов. Авт.свид. № 1499639, 1989.

40. Антонович Г.Н., Ионов А.Н., Ионов Л.Н., Непорент Б.С., Шилов В.Б., Шлимак И.С. Способ определения толщины полупроводникового слоя на подложке из полупроводникового материала. Заявка № '

4718848/25 от 14.07.89. Положительное решение от 15.08.90.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА.

1а. Херман й, Вельгельми В. Лазеры сверхкоротких световых импульсов. М.Мир 1986.

2а. Ultrashort light pulses. Editor by Shapiro S.H.,New York -

Berlln:Splnger-Verlag, New York - Berlin,1977.

За. Данелюс P., Пискаркас A., Сируткайтис В., Стабинис A.,

Ясевичуте A. Параметрические генераторы света и пикосекундная

спектроскопия , под ред.А.Пискарскаса,1983,Вильнюс "Мокслас".

4а. Ultrafast phenomena In spectroscopy. Edlted by E.Klose,

B.Wllhelml, Springer-Verlag, Berlin &, 1990.

5a. Богданов В.Л. Опт.и Спектр.,1983,т.55,в.3,с.460-466.

6а. Bass M., Stelnleld J.I. IEEE J. ol Quant.Electron,1968, QE-4,

p.53-58.

7a. Glbbs W.E.K., Kellock H.A. IEEE J. of Quant.Electron,1968, QE-4, p.293-297.

8a. Непореht Б.С. Журн.физ.хим., 1956, т.30, И5, с.1048-1061. 9а. Neporent В.S. Pure and appl.Chem. 1974, v.37, tfI-2, p.III-I46.

10a. Непорент B.C. В сб. Спектроскопия фотопревращений в

молекулах,1987, М.,Наука, с.18.

На. Соколов A.B. ОМП,1986,№1,с.59-60.

12а. Брехов О.М. и др. Труды международного конгресса по высокоскоростной фотографии и фотонике", 1980, М..ВНИИ ОФИ, с.253.

13а. Аверин А.И. и др. Квант.электрон.,1989 ,т.6, № 12,с.1979. 14а. Николаев Г.Е., Виноградов C.B. Сверхбыстрые процессы в спектроскопии. 1984, Минск:Наук.думка, с.109-113. 15а. Непорент Б.С. Изв.АН СССР, сер.физ.,1984,т.48,№ 3,с.453-461. 16а. Макогоненко А.Г., Клочков В.П. Опт.и спектр.,1988,т.64,№ 2, с.242-246.

17а. Клочков В.П., Макогоненко А.Г. Опт.и спектр.,1988,т.65,№ I, с.237-240.