В настоящее время разработаны многочисленные экспериментальные методы исследования физических свойств твердых тел, использующих фотоакустический эффект. Как было показано выше принцип лазерной генерации упругих волн заключается в возбуждении пространственно неоднородных напряжений при поглощении лазерного излучения, которые распространяются из области поглощения света в виде волн. Достижения последнего времени в области физики и техники генерации нано-, пико- и фемтосекундных лазерных импульсов существенно расширили возможности лазерной оптоакустики. Возбуждение акустических волн, обусловленное воздействием на твердое тело сверхкоротких лазерных импульсов позволило экспериментально расширить спектральный диапазон оптоакустического преобразования до частот в сотни гигагерц. Первая экспериментальная работа, в которой были зарегистрированы акустические импульсы субнаносекундной длительности, возбуждаемые лазерными импульсами с длительностью 500 пикосекунд в тонкой стальной пластине, принадлежит А. Таму [12]. Было предложено использовать наблюдавшуюся последовательность эхо-сигналов, связанных с отражением акустического импульса от границ образца, для точного измерения толщины тонких пленок, скорости распространения и коэффициентов затухания гиперзвука в исследуемой среде. Для детектирования акустических импульсов использовался пленочный пьезопреобразователь из ZnO. Дальнейшее совершенствование этой экспериментальной установки позволило исследовать сложные слоистые структуры, в частности, свойства тонких покрытий напыляемых на подложку. В последующих экспериментах неоднократно подчеркивалась прикладная ценность оптоакустического метода с использованием сверхкоротких акустических импульсов, т. к. пространственное разрешение пропорционально длительности акустического импульса и определяется величиной tс (где с-скорость продольной звуковой волны).
В настоящее время продолжаются интенсивные как экспериментальные так и теоретические исследования по генерации сверхкоротких импульсов деформации, а также исследования поверхностей с использованием ПАВ. Теоретический анализ проблем направлен на выяснение оптимальных условий ОА преобразования и изучение физических процессов, определяющих длительность акустического отклика при сверхкоротком лазерном воздействии и преобразования акустического импульса неоднородностями на поверхности. Акустические методы исследования обладают многообещающими спектроскопическими возможностями. Поскольку пространственная протяженность акустического импульса длительностью 10 пс. составляет величину порядка @50 ангстрем, что всего лишь на порядок превышает характерный размер ячейки кристаллической решетки [5,6], то дальнейшее развитие физики сверхкоротких акустических импульсов представляет определенный интерес для акустической спектроскопии и диагностики.
В настоящее время актуальной проблемой является создание компактных лазерных систем, использующих оптоакустический эффект для экспресс-анализа физических параметров исследуемого объекта.
Совершенствование экспериментальной техники отражается и на методах регистрации широкополосного акустического сигнала в поглощающей среде. Кроме контактных методов регистрации с помощью пьезоэлектрических преобразователей, активно используются бесконтактные оптические методы детектирования объемных и поверхностных акустических волн [2,3,5]. Именно этот метод отрабатывается в данной работе. Схема данного эксперимента представлена на рисунке 3.
В основе оптических схем регистрации ПАВ лежит детектирование пробным лазерным лучом локальных искажений поверхности (смещение поверхности, наклон, кривизна, скорость смещения поверхности), индуцированных распространяющимися на поверхности акустическими волнами. Поверхностный рельеф, связанный с распространением волны, можно сравнительно просто обнаружить по изменению угла отражения пробного луча. Для измерения смещения поверхности и скорости смещения поверхности эффективными оказываются также и интерферометрические методы.
 | |||||||
 | |||||||
 | |||||||
 |
Наносекундная лазерная система для исследования поверхностных акустических волн.
В данной работе для возбуждения и исследования ПАВ использовалась импульсная лазерная система, основные компоненты которой изображены на рисунке 4. Источником лазерных импульсов (которыми возбуждалась поверхностная волна) длительностью 20 наносекунд является твердотельный лазер на стекле с неодимом. Энергия одиночного импульса на выходе в одномодовом режиме генерации @ 10 мДж. В оптической схеме возможно осуществлять генерацию второй гармоники в нелинейном кристалле KDP. Таким образом в данной установке импульсное излучение лазера с длиной волны l=1.06 мкм (hn=1.17 эВ) легко может быть преобразовано в излучение второй (l=0.53 мкм, hn=2.34 эВ) гармоники. Телескопический расширитель луча составленный из линз Л4, Л5 и диафрагмы Д3 используется для формирования лазерного пучка накачки с определенными геометрическими параметрами, которые, при необходимости, можно варьировать. Цилиндрическая линза Л6 фокусирует световой луч в прямолинейную полоску длиной примерно 5 мм и шириной <50 мкм, поэтому фронт ПАВ приближенно можно считать плоским. Фотоприемник ФП1 используется для синхронизации акустического импульса с лазерным. Для регистрации ПАВ используется He-Ne лазер с длиной волны 0,632 мкм. Линзы Л1, Л2 а так же диафрагмы Д1, Д2 используются для получения пучка с гауссовым профилем. Линза Л3 фокусирует пробный луч на образец. Система регистрации отраженного луча состоит из линз Л7, Л8, Л9, ножа Фуко и фотоприемника ФП2. Нож Фуко используется как интерференционный прибор, позволяющий преобразовать малейшие изменения фазовых соотношений в отраженном луче в амплитудные, которые могут быть зарегистрированы фотодиодом.
 | |||||
 | |||||
|
Экспериментальные результаты.
Экспериментальные исследования проводились с целью обнаружения, предсказываемых теорией, затухания и замедления волны Рэлея при распространении по шероховатым поверхностям и мелкомасштабным периодическим структурам. Эксперименты проводились на трех образцах, имеющих различную структуру неоднородностей на поверхности.
Во-первых исследовалась структура состоящая из наноразмерных кластеров кремния на поверхности кристаллического кремния. Данная структура была получена посредством лазеро-индуцированного осаждения Si из газовой фазы (LCVD метод), при разложении газа SiF4 в фокусе непрерывного перестраиваемого по длине волны CO2 лазера. LCVD производилось при комнатной температуре, поэтому поверхность имеет кластерную структуру сложной морфологии. Изучение структуры на атомно-силовом микроскопе (рис.5) показало, что средний размер неоднородности составляет ~1500 нм., а высота неровностей порядка 450 нм.. Пользуясь формулами (21) и (22) можно оценить ожидаемое замедление рэлеевской волны на шероховатой поверхности, по сравнению с волной на гладкой поверхности. В приближении неровности, описываемой функцией 
(формула (21)) [7], получаем, что скорость волны уменьшается в среднем на величину 198 м/с., а расчетное замедление волны при использовании модели треугольной неровности (формула (22)) [7] составляет 135 м/с. Экспериментально полученные профили волн для на неоднородной поверхности кремния представлены на рисунке 6. Профили акустических импульсов сдвинуты, т. е. наблюдается замедление рэлеевской волны, которое в данном случае составляет 161 м/с. Амплитуда импульса на гладкой поверхности (профиль 1) меньше, чем амплитуда импульса на неоднородной поверхности (профиль 2), это связано с тем, что возбуждение
|
|
|
|
|
|
|
акустической волны оказывается эффективнее на такой поверхности, вследствие лучшего поглощения лазерного излучения.
Так же проводились исследования ПАВ на поверхности стекла покрытого тонкой загрубленной серебряной пленкой толщиной примерно 50 нм., наблюдалось затухание волны, связанное с рассеянием на неоднородностях поверхности, профили импульсов 1 и 2 (рис.7) в данном случае получены для различных расстояний между точками возбуждения и регистрации (профиль 1 регистрировался на расстоянии 2 мм от точки возбуждения, профиль 2 на расстоянии 4 мм от точки возбуждения). Так же при распространении волны наблюдалось искажение ее профиля, что может быть связано с дифракцией волны на неоднородностях пленки и рассеянием в объемные волны.
Исследование распространения ПАВ по периодической структуре проводилось на образце, который изображен на рисунке 8, периодическая структура на его поверхности была получена следующим образом. На стеклянную подложку напыляют золотую пленку толщиной порядка 50 нм. Затем, образец погружают в емкость с глицерином (рис.8), на поверхности которого плавают поллистироловые шарики диаметром 500 нм. Далее пластинку вытягивают таким образом, что на поверхности золотой пленки образуется монослой из шариков, в промежутки между которыми снова напыляется золото, причем время напыления в данной фазе изготовления образца равно времени напыления пленки, поэтому средняя высота неоднородностей также составляет 50 нм. После чего производится отжиг поллистирола и получается периодическая структура, состоящая из призмочек с вогнутыми гранями (длина грани 100 нм., расстояние между объектами порядка 500 нм.). На рисунках 9 и 10 представлены профили рэлеевских волн на поверхности стекла с тонкой золотой пленкой на которой сделана наноразмерная периодическая структура, описанная выше. Профиль 1 (рис.9) получен при возбуждении волны в точке А (рис.8) и регистрации в точке Б, т. е. акустический импульс проходит по поверхности гладкой пленки. Импульс 2 получен при возбуждении в точке А/ и регистрации в точке Б/ (импульс проходит через периодическую структуру). Профили сдвинуты относительно друг друга, это связано с замедлением волны 2.
|
|
|
|
|
|
|
| |||||
| |||||
 | |||||
|
|
|
|
|
|
Профили волн на рисунке 10 также сдвинуты (наблюдается замедление рэлеевской волны), при этом волна 1 возбуждалась в точке С (волна 2 в точке С/), а регистрировалась в точке Д (волна 2 в точке Д/), т. е. волна 1 распространялась на гладкой поверхности, а волна 2 по периодической наноразмерной структуре (при этом волна 2 возбуждалась и регистрировалась на этой структуре). Импульс 2 приходит с задержкой 20 нс., что составляет замедление скорости порядка 50 м/с. В данном случае длина ПАВ составляла 100 мкм., при размере дефекта периодической структуры порядка 100 нм., т. е. длина волны много больше периода системы, поэтому не наблюдалось брэгговского отражения волны, а периодическая система работает, как неоднородная поверхность (шероховатая пленка).
Заключение.
Целью данной работы являлось исследование взаимодействия ПАВ Рэлея с наноразмерными неоднородностями на поверхности твердого тела. Для этого была отработана методика исследования ПАВ при помощи бесконтактного оптического зондирования. В ходе работы были рассчитаны параметры оптической системы, позволяющей исследовать форму ПАВ, распространяющейся на поверхности твердого тела. В данной установке для оптической генерации поверхностной волны использовался импульсный YAG лазер (длительность импульса 20 нс.), луч HE-NE лазера использовался для зондирования поверхности, для регистрации электрического сигнала использован широкополосный (полоса пропускания порядка 1ГГц.) высокочастотный усилитель и электронный осциллограф, позволяющий разрешать импульсы длительностью 10 нс., сопряженный с компьютером. Экспериментально стабилизированы параметры оптической системы и электронных схем.
Экспериментально было показано, что имеет место дисперсия и затухание рэлеевской поверхностной волны, которые обусловлены взаимодействием с неоднородностями, проведено сравнение результатов с теоретическими расчетами [7].
Исследования проводились на поверхности кремния с нанесенными на нее кластерами, было обнаружено замедление ПАВ, по сравнению с волной на гладкой поверхности, которое составило 161м/с. Кластерная структура на поверхности имеет сложную морфологию для которой нельзя вывести точные теоретические оценки, но можно воспользоваться моделями для треугольной и косинусоидальной неоднородностей. Расчеты для треугольной неоднородности дают результат замедления скорости 135 м/с., для косинусоидальной 198 м/с. Таким образом данные модели могут применяться, но при этом следует рассматривать при расчетах не форму профиля неоднородности, а форму зависимости плотности вещества на поверхности.
Также исследовалось взаимодействие ПАВ с наноразмерной периодической структурой зафиксированное при этом замедление волны составило 75 м/с., при этом не наблюдалось брэгговского отражения волны.
В ходе исследований наблюдалось изменение формы импульса связанное с его дифракцией на неоднородностях и уменьшение его амплитуды с увеличением длины пройденного пути вдоль неоднородной серебряной пленки.
Таким образом данная система может быть эффективно использована в импульсной лазерной оптоакустике для исследования состояния границы между твердым телом и воздухом.
На первом этапе работы ставилось целью отработка методики наблюдения взаимодействия ПАВ с неоднородностью границы. Для этого была выбрана более простая схема, использующая наносекундный лазер. При этом длина акустического импульса составляла порядка 100 мкм, что не является оптимальным для изучения нанообъектов на поверхности твердого тела. Для более точных исследований границ раздела твердое тело-воздух необходимо использовать сверхкороткие акустические импульсы. С этой целью предполагается использовать лазерное излучение с длительностью импульса 20 пикосекунд.
Список литературы.
1. Гусев В.Э., Карабутов А.А. «Лазерная оптоакустика». Москва: Наука, 1991.
2. Andaloro R.V., Simon H.J., and Deck R.T. «Temporal pulse reshaping with surface waves».Appl. Opt. 33, 6340-6347 (1994).
3. Takayuki Okamoto and Ichirou Yamaguchi, «Surface plasmon microscope with an electronic angular scanning». Optics Communications 93, 265-270 (1992).
4. Oing Shen, Akira Harata, and Tsuguo Sawada, «Analysis of metallic multilayers using hypersonic surfase waves induced by transient reflecting gratings». Appl. Phys. 32, 3628-3632 (1993).
5. Proklov V.V., Surov S.P., Sychugov V.A., and Titarenko G.V. «Diffraction of weakly decaying surface electromagnetic waves by surfase acoustic waves». Opt. Spektrosk. 65, 753-756 (1988).
6. Lin H.-N., Maris H.J., and Freund L.B. «Study of vibrational modes of gold nanostructures by picosecond ultrasonics». Appl. Phys. 73, 37-45 (1993).
7. Гуляев Ю.В., Крылов В.В., Бирюков С.В., Плесский В.П. «Поверхностные акустические волны в неоднородных средах». Москва: Наука, 1991.
8. « Поверхностные акустические волны». Под редакцией А.Олинера, Москва: Мир 1981.
9. Лямшев Л.М. «Лазерное термооптическое возбуждение звука», Москва: Наука 1989.
10. Дьелесан Э.,Руайе Д. «Упругие волны в твердых телах. Применение для обработки сигналов», Пер. с франц. Под ред. Леманова. Москва: Наука, 1982.
11. Avanesyan S. M., Gusev V. E., Zheludev N. I. //Appl. Phys. A., 1986. V. 40. P. 163.
12. Tam A. C. «Pulsed-laser generation of ultrashort acoustic pulsed: Application for thin-film ultrasonic measurements». Appl. Phys. Lett. 1984, V.45, n5, 510-512.
13. Lee R. E., White R. M. //Appl. Phys. Lett. 1968. V. 12. P. 12.
14. Ledbetter A. M., Moulder J. C.// J. Acoust. Soc. Am. 1979. V. 65. P. 840.
[КР1]