Диагностика субмикронных металлических покрытий на диэлектрической подложке лазерным оптико-акустическим методом (1102809), страница 4
Текст из файла (страница 4)
В разделе также приводится⎟⎜β (T0 ) ⎝ dT ⎠ T =T0описание ряда работ, рассматривающих особенности ОА генерации в жидкости присильном влиянии тепловой нелинейности.Далее приводятся оценки для температур нагрева воды или этанола в процессе ОАпреобразования в системе и энергий лазерного излучения, при которых вклад тепловойнелинейности жидкости в ОА генерацию сравним с линейным.В §4.2 рассматривается ОА преобразование в двухслойной системе жидкостьметалл с учетом проявления тепловой нелинейности жидкости. В первой части §4.2приводится численное решение для ОА отклика для двухслойной системы в случаепроявления тепловой нелинейности жидкости.
Расчеты проводились для воды иалюминия. Проведено сравнение с линейным режимом генерации. Подробно описано,как изменяется профиль сигнала и ПФ ОА преобразования в двухслойной системе приповышении плотности энергии излучения лазера. Показано, что при учете тепловойнелинейности жидкости амплитуда дополнительного ОА сигнала квадратично зависитот плотности энергии излучения лазера, а длительность результирующего импульсауменьшается с повышением энергии.Во втором пункте §4.2 описывается измерение ОА отклика двухслойной системывода-алюминий. В эксперименте толстая пластина алюминия приводилась в контакт сдистиллированной водой, накрытой кварцем.
Облучение происходило со стороны воды,а регистрация проводилась со стороны алюминия через еще один слой воды, 15обеспечивающий акустический контакт с приемником. Плотности энергий лазерногоизлучения составляли от 20 до 160 мДж/см2. При плотности энергии, превышающей20 мДж/см2 наблюдается квадратичная зависимость амплитуды ОА сигнала отплотности энергии лазерного излучения, что говорит о влиянии тепловой нелинейностиводы на ОА преобразование в двухслойной системе.
Отметим, что при плотностяхэнергии более 40 мДж/см2 в эксперименте наблюдался также эффект взрывноговскипания, который не учитывался при расчетах в рамках рассматриваемой модели.2p/E0 , кПа∗см /мДж2p/E0 , кПа∗см /мДж4лин.2E0=2 мДж/см3103060802лин.2E0=20 мДж/см340602104102040608010000t, нс2040(а)-5-51204060100t, нс210 KF (f), 10 Па*м /Вт2лин.2E0=2 мДж/см10306080080(б)K (f), 10 Па*м /Вт10 F0,160лин.2E0=20 мДж/см40601801000,1020406080100f, МГцf, МГц(в)(г)Рис. 6 ОА преобразование в трехслойной системе при прямой схеме регистрации вслучае проявления тепловой нелинейности жидкости при различной плотностиэнергии лазерного излучения E0. Нормированные на E0 акустические импульсы всистемах подложка - пленка хрома - вода (а) и подложка - пленка хрома - этанол (б);ПФ ОА преобразования (в) и (г) в этих системах, соответственно. 16§4.3 посвящен подробному исследованию термооптического преобразования втрехслойной системе кварцевая подложка - пленка хрома - жидкость при учете тепловойнелинейности жидкости.В первой части §4.3 приводится численный расчет ОА отклика и ПФ ОАпреобразования при учете тепловой нелинейности жидкости для толщины покрытияh = 2d th при длительности лазерного импульса τ L = 10 нс .
Расчеты проводились дляводы (Рис. 6а,в), в которой тепловая нелинейность максимальна и для этанола(Рис. 6б,г), в котором тепловая нелинейность на порядок меньше. При такой толщинепленки вклады металла и жидкости можно легко разделить и проследить, как меняетсяпрофиль возбуждаемого ОА импульса, обусловленного вкладом жидкости, а такжеформа ПФ ОА преобразования с увеличением плотности энергии лазерного излучения.Далее приводятся оценки нагревов поверхности хром-жидкость для толщинхромовых покрытий, используемых в эксперименте. Показано, что при плотностиэнергии излучения уже порядка 10 мДж/см2 нагрев тыльной поверхности хрома пленкитолщиной 0,70 мкм составляет порядка 20 К, следовательно, нелинейный вклад водыстановится сравним с линейным, а для более тонких покрытий – превышает линейный.Для количественной оценки влияния тепловой нелинейности жидкости на ОАпреобразованиепредложеноиспользоватьотносительноесреднеквадратичноеотклонение ПФ, рассчитанной в диапазоне частот 1-100 МГц с учетом тепловойнелинейности жидкости, от ПФ, полученной в рамках линейной модели.
На основеполученной эмпирической зависимости показано, что величина среднеквадратичногоотклонения прямо пропорциональна плотности энергии лазерного излучения и обратнопропорциональна толщине пленки в степени 1,25.Во втором пункте §4.3 описывается экспериментальное исследование ОА откликахромовых покрытий на кварцевой подложке, приведенных в контакт с водой и сэтанолом в режиме предполагаемого проявления эффекта тепловой нелинейностижидкости. Измерения проводились при прямой схеме регистрации сигнала аналогичноэксперименту, описанному в Главе 3.
Плотности энергии лазерного излучениясоставляли от 1 до 40 мДж/см2. По результатам эксперимента видно, что тепловаянелинейность воды оказывает существенное влияние на форму и амплитуду ОАимпульса (Рис. 7а), а также на ПФ (преимущественно на низкие частоты) системыкварцевая подложка - пленка хрома - вода во всем исследуемом диапазоне плотностейэнергий лазерного излучения. 170,4p/E0 , отн.
ед.E0=1,4 мДж/см25,813,929,841,50,20,4p/E0 , отн. ед.E0=1,2 мДж/см25,112,122,036,10,20,00,00501001500200t, нс50(а)100 150 200 250t, нс(б)Рис. 7 ОА импульсы, нормированные на плотность энергии лазерного излучения E0, длясистемы подложка - пленка хрома – вода (а), подложка - пленка хрома – этанол (б),измеренные в прямой регистрации.
Толщина покрытия h=0,70 мкм.2-54-5KF,water (f), 10 Па*м /Вт2KF, eth (f), 10 Па*м /Вт2E0=1,4 мДж/см10,625,3аналит. расчет10,6 (моделирование)25,3 (моделирование)22E0 =1,2 мДж/см12,116,922,036,1аналит. расчет10102040060f, МГц 204060f, МГц(б)(а)Рис. 8 Экспериментально полученные ПФ ОА преобразования в системе подложка пленка хрома - вода (а) и подложка - пленка хрома - этанол (б) при различныхплотностях энергии лазерного излучения E0 и толщине покрытия h=0,70 мкм.Сплошные линии соответствуют результатам аналитического расчета в рамкахлинейной модели, пунктирные – результатам численного расчета с учетом тепловойнелинейности жидкости при разных плотностях энергии лазерного излучения.Экспериментальные ПФ соответствовали численно рассчитанным с учетомтепловой нелинейности в диапазоне плотностей энергий от 1,4 до 25 мДж/см2 (Рис. 8а).В системе кварцевая подложка - пленка хрома - этанол тепловая нелинейность жидкости 18не оказывает существенного влияния на ОА отклик и ПФ вплоть до плотностей энергийлазерного излучения около 10 мДж/см2.
Однако, при дальнейшем повышении плотностиэнергии в этаноле наблюдается эффект взрывного вскипания, который приводит крезкому увеличению амплитуды ОА импульса (Рис. 7б) и возрастанию ПФ на всемдиапазоне частот (Рис. 8б). При еще большем увеличении плотности энергии (прииспользовании самого тонкого покрытия толщиной 0,17 мкм) появляется эффектакустической нелинейности, который также приводит к изменению формы и амплитудыОА импульса.Все сказанное выше позволяет сделать выводы о целесообразности применениятой или иной жидкости в качестве иммерсионной в описанном методе исследованияметаллических покрытий и определить энергетические пределы, при которыхописываемые нелинейные эффекты заведомо не вносят существенной погрешности визмерения.В заключении диссертации приводятся основные результаты работы:1.Аналитически рассчитаны передаточные функции ОА преобразования для системы,в которой напыленная на оптически прозрачную подложку субмикроннаяметаллическая пленка контактирует с иммерсионной жидкостью.
Рассмотреныпрямая и косвенная схемы регистрации ОА сигналов. Показано, что в обоих случаяхпри фиксированных теплофизических параметрах сред передаточная функцияявляется универсальной функцией аргумента, равного произведению квадратногокорня из частоты на толщину пленки.2.Подробно проанализированы временные профили возбуждаемых импульсовдавления и передаточные функции ОА преобразования трехслойной системы в трехразличных случаях: толщина пленки много меньше (термически тонкая пленка),много больше (термически толстая пленка) и сравнима с глубиной диффузии тепла вметалле за время лазерного импульса.
Показано, что в предельных случаяхтермически тонкой и толстой пленок для обеих схем регистрации временная формаОА импульса практически повторяет профиль огибающей интенсивности лазерногоимпульса, а передаточная функция не зависит от частоты. В диапазоне толщинпокрытий, сравнимых с глубиной диффузии тепла, передаточная функция являетсячастотно зависимой, а профиль ОА импульса зависит от толщины покрытия. Этотфакт может быть использован для измерения толщин металлических покрытийсубмикронного диапазона с использованием наносекундных лазерных импульсов. 193.Теоретическиобоснованавозможностьопределениякоэффициентатеплопроводности и коэффициента теплового расширения металлических покрытийпо измеренной передаточной функции.4.Измерены толщины трех субмикронных хромовых покрытий, напыленных накварцевую подложку.
В качестве иммерсионных жидкостей использовались ацетони этанол. Для разных жидкостей при одной и той же (прямой или косвенной) схемерегистрации полученные значения толщин пленок совпадают с точностью до 20 нм;при использовании разных схем с одной и той же жидкости - с точностью до 60 нм.5.Для прямой схемы регистрации численно рассчитан ОА отклик трехслойнойсистемы кварцевая подложка - субмикронная хромовая пленка - жидкость дляслучая проявления эффекта тепловой нелинейности жидкости. Для каждой изиспользуемых жидкостей (воды и этанола) получено эмпирическое выражение дляотносительного среднеквадратичного отклонения передаточной функции ОАпреобразования, рассчитанной в диапазоне частот 1-100 МГц с учетом тепловойнелинейности жидкости, от передаточной функции, полученной в рамках линейноймодели.Показано,пропорциональначтовеличинаплотностисреднеквадратичногоэнергиилазерногоотклоненияизлученияипрямообратнопропорциональна толщине пленки в степени 1,25.6.В прямой схеме регистрации импульсов давления измерены ОА отклики системы,состоящей из субмикронного хромового покрытия на кварцевой подложке,приведенного в контакт с водой и этанолом, при различных значениях толщиныпокрытий и плотности энергии лазерного излучения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
