Читать онлайн «Физические основы лазерной технологии: учебное пособие для вузов»

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ» А. П. Менушенков, В. Н. Неволин, В. Н. Петровский Физические основы лазерной технологии Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений Москва 2010 УДК 621. 373. 826(075) ББК 32. 86-5я7 М 50 Менушенков А. П. , Неволин В. Н. , Петровский В. Н. Физиче- ские основы лазерной технологии. Учебное пособие. — М. : НИЯУ МИФИ, 2010. 212 с. Целью настоящего учебного пособия является систематизация накоплен- ных за годы развития лазерной технологии знаний и восполнение пробелов учебной литературы по современным проблемам технологических применений лазеров. В книге подробно рассматриваются физические механизмы взаимо- действия лазерного излучения с металлами, полупроводниками и другими непрозрачными средами, принципы устройства лазерных технологических установок, методы фокусировки мощного лазерного излучения, особенно- сти тех или иных лазерных технологических процессов, включая физику резонансного воздействия лазерного излучения на вещество. Учебное пособие рекомендуется студентам старших курсов и аспирантам, специализирующимся в области лазерной физики, физики конденсированного состояния, физики наноструктур и взаимодействия лазерного излучения с веществом. Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ. Рецензент д-р физ. -мат. наук, проф. В. А. Рыков ISBN 978-5-7262-1252-4 c Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2010 Оглавление Введение 7 1 Взаимодействие лазерного излучения с веществом 11 1. 1 Классификация лазерных технологических процессов . . . . . . . . . . . . . . . 12 1. 2 Основные характеристики лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 1. 3 Процессы передачи энергии лазерного излучения металлам . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 1. 4 Механизмы поглощения лазерного излучения полупроводниками и диэлектриками . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 1. 5 Оптические свойства металлов . . . . . . . . . . . . 37 1. 6 Пространственно-временные характеристики лазер- ного излучения как источника тепла . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 1. 7 Процессы нагрева материалов при воздействии лазерного излучения . . . . . . . . . . . 47 1. 8 Нелинейные случаи нагрева материала лазерным излучением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3  1. 9 Плавление и испарение материала под действием импульсов лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 1. 10 Физические свойства лазерной плазмы . . . . . . . . 68 2 Лазерные технологические системы 79 2. 1 Структурная схема лазерных технологических установок . . . . . . . . . . . . . . . 79 2. 2 Энергетические оптические системы ЛТУ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 2. 2. 1 Принципы фокусировки мощного лазерного излучения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 2. 2. 2 Принципы компоновки энергетических оптических систем . . . . . . . . . . . . . . . . 86 2. 2. 3 Проекционные лазерные системы . . . . . . . 88 2. 2. 4 Линзовые абберации . . . . . . . . . . . . . . 90 2. 2. 5 Оптические материалы . . . . . . . . . . . . . 92 2. 3 Лазерные технологические установки на основе твердотельных лазеров . . . . . . . . . . . 94 2. 3. 1 Сравнительные характеристики активных сред твердотельных лазеров . . . . . . . . . . 94 2. 3. 2 Рубиновый лазер . . . . . . . . . . . . . . . . 94 2. 3. 3 Твердотельные Nd:YAG-лазеры с ламповой накачкой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 2. 3. 4 Твердотельные лазеры с диодной накачкой . 108 2. 3. 5 Волоконные лазеры . . . . . . . . . . . . . . . 108 2. 4 Лазерные технологические установки на основе CO2 -лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 2. 4. 1 Основные параметры и классификация CO2 - лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 2. 4. 2 Коэффициент полезного действия СО2 -лазеров . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 2. 4. 3 Классификация мощных СО2 -лазеров . . . . 113 4  2. 4. 4 Непрерывные СО2 -лазеры с диффузионным охлаждением . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 2. 4. 5 Непрерывные СО2 -лазеры с продольной прокачкой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 2. 4. 6 Непрерывные СО2 -лазеры с поперечной прокачкой (ТЕ-лазеры) . . . . . . . . . . . . . 116 2. 4. 7 СО2 -лазеры атмосферного давления с поперечным возбуждением (TEA-лазеры) . . 118 2. 4. 8 Мощные СО2 -лазеры с несамостоятельным разрядом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119 3 Лазерная технология полупроводников 121 3. 1 Классификация лазерных технологических процессов в микроэлектронике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 3. 2 Подготовительные операции . . . . . . . . . . . . . . 123 3. 2. 1 Очистка поверхности . . . . . . . . . . . . . . 123 3. 2. 2 Геттерирование . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 3. 3 Основные операции . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 3. 3. 1 Окисление . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 3. 3. 2 Лазерный отжиг полупроводников после ионной имплантации . . . . . . . . . . . . . . 134 3. 3. 3 Лазерное легирование . . . . . . . . . . . . . . 143 3. 3. 4 Создание силицидов . . . . . . . . . . . . . . . 154 3. 3. 5 Осаждение тонких пленок . . . . . . . . . . . 160 3. 3. 6 Лазерное напыление тонких ВТСП- пленок . 173 3. 4 Завершающие операции . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 3. 4. 1 Лазерное скрайбирование . . . . . . . . . . . 177 3. 4. 2 Маркировка . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 3. 5 Применение лазеров в создании электронных приборов . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 3. 5. 1 Пайка и контроль качества соединений . . . 180 5 4 Лазерная химия 182 4. 1 Лазерная химия . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 4. 2 Лазерное разделение изотопов . . . . . . . . . . . . . 183 4. 2. 1 Схемы лазерного разделения изотопов . . . . 184 4. 2. 2 Коэффициент обогащения . . . . . . . . . . . 186 4. 2. 3 Инициируемые лазером реакции . . . . . . . 187 4. 2. 4 Однофотонная предиссоциация . . . . . . . . 190 4. 2. 5 Двухфотонная диссоциация . . . . . . . . . . 192 4. 2. 6 Фотоизомеризация . . . . . . . . . . . . . . . 194 4. 2. 7 Двухступенчатая фотоионизация . . . . . . . 196 4. 2. 8 Оптическое отклонение атомного пучка . . . 199 4. 2. 9 Многофотонная диссоциация . . . . . . . . . 200 4. 3 Лазерное разделение изотопов в атомной энергетике . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 4. 4 Получение особо чистых веществ . . . . . . . . . . . 208 6 ВВЕДЕНИЕ Лазерная технология наряду с информационными и нанотехно- логиями уверенно выдвинулась в число наиболее перспективных высоких технологий — технологий 21 века.