Диссертация (1097947), страница 80
Текст из файла (страница 80)
Спектр ЛИП, наблюдаемый при взаимодействии излучения эксимерноголазера на длине волны 248 нм с мишенью TiO2 для времени td = 2 мкс. Плотностьлазерного излучения 6 Джсм-2. Давление 10-2 Тор. Расстояние от поверхности мишени 0.6мм: а) диапазон 436 – 446 нм, б) диапазон 498 – 508 нм.434абРис.240. Спектр ЛИП, наблюдаемый в спектральном диапазоне 514 – 526 нм нарасстояниях от поверхности мишени TiO2 а) d=2 мм и б) d=6 мм. Плотность лазерногоизлучения равняется 6 Джсм-2.В модели рассматриваются электронные состояния частиц (верхнее и нижнеесостояния обозначаются, как n и m, соответственно), относящиеся к оптическиразрешенным переходам в диапазоне =250–700 нм. В уровневой полуэмпирическойСИМ, развитой в диссертации, рассматриваются следующие сорта частиц: электроны;атомы титана TiI в 62-х электронных состояниях и ионы титана TiII в 32-х электронныхсостояниях.
В таблицах 26 и 27 представлены данные для исследуемых оптическиразрешенных переходов для TiI и TiII из работ [313, 1264–-1266, 1273, 1277, 1279],которые учитывались при решении балансных уравнений для компонентного составаЛИП. Здесь длина волны излучения (нм); Em и En – энергии (см-1) нижнего (m) иверхнего (n) электронных состояний, соответственно; Jn и Jm – полный угловой моментэлектронного состояния; Anm – вероятности радиационного распада возбужденныхсостояний (в единицах 108 с-1); gm и gn – статистические веса нижнего (m) и верхнего (n)435состояний. При решении системы уравнений для концентраций компонентного составаучитываются следующие процессы: возбуждение идевозбуждение электронныхсостояний TiI и TiII электронным ударом; ионизация нейтральных частиц электроннымударом; трехчастичная электрон-ионная рекомбинация с участием электрона в качестветретьей частицы; ступенчатая ионизация; излучательная рекомбинация и фотоионизацияTiI в возбужденных состояниях; спонтанный радиационный распад возбужденныхсостоянийTiIиTiII;процессыстимулированногоизлученияиреабсорбции.Коэффициенты скоростей и сечения процессов вычислялись на основе соотношений,представленных в [40, 122, 147, 162, 1996].
ФРЭЭ полагалась больцмановской.Уменьшение концентрации TiI и TiII, Ne вследствие газодинамического расширения ЛИПописываетсяв-приближении[1984].Уравнениябалансадляконцентрацийвозбужденных частиц решаются методом, описанным в работе [152, 761]. Исследуемаястадия испарения материала мишени под действием лазерного излучения в данной работерассматривается только лишь с целью определения начальных условий для стадиигазодинамического расширения ЛИП.
Для времени t=0 ФРА и ФРИ титана повозбужденным состояниям описываются формулой Больцмана при температуре 10 4 K.Начальное значение температуры типично для температуры поверхности мишени при еёвзаимодействии с лазерным излучением [69]. Начальные значения концентрации TiI и TiII,Ne вычислялись из уравнений Саха-Больцмана.Рис.241.Временнаяэволюция интенсивности линийатомовиионовтитана.Плотность лазерного излученияравняется 6 Джсм-2.
Расстояниеот поверхности мишени 0.6 мм.На рис. 239 и 240 приведены эмиссионные спектры ЛИП ( λ =436–446 нм, 498–508нм и 514-526 нм), интегрированные по времени и записанные на различных расстоянияхd от мишени. Спектры, наблюдаемые на различных расстояниях от поверхностимишеней, сделанных из TiO или TiO2 (в вакууме либо при наличии кислорода, в плазмеВЧ-разряда или в послесвечении) отличаются слабо. Наблюдаются линии TiI и TiII.Полученные результаты находятся в качественном согласии с результатами [1980, 1997].436Для определения ФРА и ФРИ из спектров титана и анализа спектральногораспределения интенсивности линий удобны шесть линий TiI и пять линий TiII: 398.98 нм,464.5 нм, 462.3 нм, 461.7 нм, 517.37 нм, 519.29 нм и 288.49 нм, 293.11 нм, 293.59 нм,293.85 нм, 294.53 нм.
Они свободны от переналожений с соседними линиями, а временажизни возбужденных состояний меньше, либо сравнимы с характерным временемгазодинамического расширения ЛИП.Рис.242.Временнаяэволюцияспектрального профиля атомной линиититана на длине волны 402.7 нм при tg=15 нс.Чтобы минимизировать ошибку обработки спектральных линий (площади иширины контура) вследствие наличия континуума, возникающего на начальном этапевзаимодействия лазерного излучения и мишени, регистрация эмиссионных спектров ЛИПна расстоянии от поверхности мишени 0.6 мм проводилась для времен td>100 нс.
При td =100–180 нс наблюдается непрерывный спектр в видимом диапазоне, обусловленныйстолкновениями свободных электронов с TiI и TiII, и излучательной рекомбинациейэлектронов с ионами (рис. 241). Для td > 100 нс влиянием континуума на спектральноераспределение интенсивности линий можно пренебречь.
Уменьшение величины сигналаконтинуума объясняется двумя причинами: во-первых, для условий экспериментаскорость газодинамического расширения ЛИП является очень большой и составляет 105–106 см/с; во-вторых, как отмечено в работе [1998], время образования ЛИП заметнопадает с уменьшением длины волны излучения лазера. Скорость расширения ЛИПсравнима со скоростью расширения газа в вакуум [1985, 1999].Для td > 100 нс заметно спадают интенсивности линий TiI и TiII вследствиегазодинамического расширения ЛИП и кинетических процессов, которые обсуждалисьвыше. Спад сопровождается уменьшением ширин линий TiI и TiII вплоть до значенияширины аппаратной функции во временном интервале td = 180–200 нс.
На рис. 242приведен пример изменения профиля линии TiI на длине волны 402.7 нм в зависимости отtd. Ширина линии уменьшается от 1.5 Å при td=100 нс до 0.9 Å при td=280 нс. При td =100180 нс измеренный спектральный профиль линии хорошо аппроксимируется437профилем Лоренца и уширение линий TiI происходит в результате квадратичного эффектаШтарка [69]. Это подтверждается наблюдаемой в эксперименте взаимосвязью значенийспектральной ширины и интенсивности линий TiII.Рис.243.Временнаяэволюцияэлектронов,концентрациивосстановленнаяизуширения атомных линий [289].Плотность лазерного излучения 6Джсм-2 - () и 1.75 Джсм-2 - ().Расчет с учётом газодинамическогорасширения ЛИП - () и без учёта ().
Расстояние от мишени d = 0.6мм и tg = 15 нс.Рис.244.Функцияраспределенияатомовтитанаповозбужденным состояниям при td=260нс в вакууме. Ο - эксперимент.Сплошнаялинияуровневой-СИМ,диссертации.расчетпоразвитойвПунктирнаялиния-аппроксимация измеренной ФРА повозбужденнымсостояниямраспределениемБольцмана.Плотностьлазерногоизлучения6-2. Расстояниеот поверхностиКонцентрация электронов определялась изДжсмизмеренийштарковскогоуширения-315 0.6мишенилиний [289] и слабо меняется в диапазоне (3.51)×10см мм.при td = 100 – 300 нс иплотности лазерного излучения 6 Джсм-2.
Данные для определения концентрацииэлектронов из измерений спектральной ширины линий TiII взяты из работ [2001–2002].Температура электронов, необходимая для определения N e , восстанавливалась поинтенсивностям линий TiII. Зависимость N e от времени задержки приведена на рис. 243.Там же приведены результаты расчетов с учётом и без учёта газодинамическогорасширения ЛИП. Моделирование показывает, что при td =30–180 нс ионизация атомовтитанаэлектроннымударом,трехчастичнаярекомбинация,фотоионизацияи438фоторекомбинация, не оказывают заметного влияния на эволюцию концентрацииэлектронов.
На рис. 244 приведены типичные рассчитанная и измеренная ФРА титана повозбужденным электронным состояниям на расстоянии d=0.6 мм от поверхности мишенипри td=260 нс. Точки на графике показывают измеренную зависимость ln(Nm/gm) отэнергии возбужденного состояния, Nm - концентрация атомов в состоянии m. Заселенностиатомов титана по возбужденным состояниям хорошо аппроксимируется распределениемБольцмана с температурой возбуждения Ta титана, определенной по углу наклона прямой:ln N m g m Const Em h c.
(5.1.1)kb TaФРА титана изображена на рис. 244, измеренное значение Ta=100002000 К(пунктирная линия), рассчитанное значение 11800 К (сплошная линия). ФРА и ФРИтитана аппроксимируются больцмановским распределением в исследованном в диапазонеплотностей лазерного излучения, давлений кислорода, времен задержки в диапазоне 100–300 нс и расстояний от поверхности мишени в диапазоне 0.6 – 6 мм. Измеренные значенияTa и Ti совпадают с рассчитанными.Рис.245. Зависимость температуры атомов и ионов титана от времени. Для ионовтитана: () - эксперимент, () - расчёт температуры по уровневой СИМ, развитой вдиссертации с учетом процессов возбуждения и девозбуждения состояний TiIIэлектроннымударом,радиационногораспада,стимулированногоизлученияиреабсорбции, () - расчет температуры по СИМ без учета процессов стимулированногоизлучения и реабсорбции.
Для атомов титана: () - эксперимент, () - расчет по СИМ,развитой в диссертации с учетом процессов возбуждения и девозбуждения состояний TiIэлектроннымударом,радиационногораспада,стимулированногоизлученияиреабсорбции. Плотность лазерного излучения 6 Джсм-2. Расстояние от поверхностимишени 0.6 мм. Измерения проведены в вакууме.439На рис. 245 приведены результаты расчётов и измерений временной эволюции Ta иTi при плотности лазерного излучения 6 Джсм-2 на расстоянии 0.6 мм от поверхностиTiO мишени в вакууме в диапазоне временной задержки td=100–300 нс.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
