Преобразование фемтосекундных импульсов дисплеем на жидких кристаллах

Методы лазерной абляции, в частности, лазерная индуктивная абляция, тесно связана с оборудованием для масс-спектрометрии, времяпролетной спектроскопии. Методы лазерно-искровой эмиссионной спектрометрии уже применялись для глубинной обработки различных покрытий и слоистых структур. Отмечалось, что по мере углубления абляционного кратера окружающее его вещество также переходит в состояние плазмы (например, в лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии и масс-спектроскопии). Так, перед исследователями открывается возможность извлечения информации из глубины слоя.

При глубокой обработке многослойных структур, например, оцинкованной стали, применяются узкие гауссовы пучки. Передача энергии между цинком и железом происходит постепенно. Поскольку профиль пучка имеет форму гауссоиды, наиболее быстро удаление материала происходит в центре абляционного кратера.

Качество абляционного кратера можно повысить, изменяя, к примеру, профиль пучка. Лазерное излучение с распределением интенсивности типа “flattop” позволяет сделать переход между слоями более чётким. В одном из недавних исследований преимущества обработки материалов этим способом изучались с применением ArF-эксимерного лазера, излучающего на длине 193 нм. Абляционная система для масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой содержала объектив-гомогенизатор.

Рисунок 1. Схема формирования профиля интенсивности пучка. (В) – светоделитель, (Р) – поляризатор, (F) – светофильтр.

Для лазерной абляции традиционно используются импульсные наносекундные лазеры. Многие ученые и производители лазерных систем полагают, что в будущем наносекундные лазеры будут сильно уступать пикосекундным лазерам для обработки материалов. Высокая мощность пикосекундного лазерного излучения, сочетающаяся с низкой расходимостью, позволяет концентрировать световую энергию в очень малом объеме. Аналогичные рассуждения применимы и к фемтосекундным лазерным импульсам.

Пространственные модуляторы на основе жидких кристаллов широкого используются в короткоимпульсных системах для упрощения и ускорения их работы. Holoeye предлагает пространственный модулятор света, матрица которого состоит из скрученных нематических жидких кристаллов (SONY SVGA). Размер дисплея 21х26 мм, разрешение 832х624 пикселей, коэффициент заполнения 85%. Экспериментальная установка представлена на Рис. 1. ЖК - дисплей подключается непосредственно к выходу видеокарты и служит внешним монитором.

Все главные параметры картины - контрастность и геометрия изображения, контролируются специальным программным обеспечением через PC2. В этом случае в качестве модулятора интенсивности используется ЖК дисплей. Маска предназначена для изменения профиля интенсивности падающего пучка. Оптимальной конфигурацией маски будет та, которая создаст равномерное распределение в центре пучка, а боковые «крылья» будут подчиняться распределению Гаусса.

Рисунок 2. График распределения энергии излучения (а), поперечное сечение (b).

На рис. 2a показаны снимки экрана, демонстрирующие вид программного обеспечения. Показана возможная трассировка маски и ожидаемый вид профиля интенсивности. На рис. 2b показано соответствующее изображение, отображаемое на жидкокристаллическом дисплее. Используется фемтосекундная лазерная система Hurricane Spectra Physics с длительностью импульса около 100 фс. Центральная длина волны составляла 795 Нм. Пример профиля интенсивности луча после прохождения сквозь жидкокристаллический дисплей показан на рис. 3. В приложениях лазерной абляции боковые «крылья» не представляют проблемы до тех пор, пока плотность лазерного луча близка к пороговому значению. Наиболее эффективное удаление материала происходит в центральной области пучка, где распределение плоское (рис. 4).

Формирование профиля пучка с использованием пространственного модулятора на основе жидкокристаллических микродисплеев использовалось для измерений тонких пленок хрома. На рис. 5 показаны результаты анализа слоя хрома методом времяпролетной спектрометрии.

Толщина слоя, выраженная через число импульсов, составляет 16-20 импульсов, что соответствует средней скорости абляции 11±2 нм на импульс. Проанализированы несколько абляционных кратеров. Количество лазерных импульсов различно. Дальнейший анализ проводился в белом свете с помощью интерферометра (рис. 4). В результате эксперимента получены реальные измерения глубины. Ярко выраженные края кратера (рис. 4) слегка повреждены из-за теплового напряжения. Размеры повреждений по краям значительно меньше 1 мкм.

Рисунок 3. Снимки экранов с ПЗС – матрицы, демонстрирующие распределения интенсивности модулированного излучения.

 Последовательность модуляции лазерного пучка можно разделить на этапы:

1. С помощью специального ПО формируется маска и отображается на ЖК дисплее.

2. Исходный профиль интенсивности пучка отображается на экране с помощью камеры с ПЗС матрицей.

3. После того, как профиль пучка откалиброван, излучение формирует кратер, после чего исследуется с помощью интерферометра белого света.

Рисунок 4. Профиль абляционного кратера на тонкой пленке хрома.

Система разработана для формирования профиля пучка «с плоской крышей», но она может быть легко адаптирована и для работы с другими типами распределений интенсивности пучка. Для этого применяется, в частности, динамическая компьютерная голография. Эта работа сейчас проводится в лаборатории компании Holoeye.

Рисунок 5. Глубина профиля 200-нм пленки хрома на кремниевой подложке. Сигнал нормализован по сумме. Каждая точка найдена по трем независимым измерениям.

© Holoeye
 

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Holoeye на территории РФ