4. Использование лазерной плазмы

Рассмотрение свойств плазмы, образованной действием мощного лазерного излучения на поверхность твердого тела, показывает, что лазерная плазма может быть использована в источниках ионов.

Особенности лазерной плазмы, в первую очередь, определяются высокой скоростью ввода энергии излучения в вещество. При плотности потока излучения более 10⁹ Вт/см ² происходят безфракционное испарение вещества и его лавинная ионизация со степенью, близкой к 100%, вне зависимости от теплофизических свойств облучаемого вещества. Полное число ионов в плазме зависит от параметров излучения q ^0.8 , в значительной степени от размера пятна фокусировки d ² и может достигать 10¹⁴ - 10¹⁶.

Высокая температура и плотность образованной плазмы приводят к ее стремительному расширению под действием градиента давления. В плотной плазме существенную роль играют рекомбинационные процессы, в результате которых происходит перераспределение зарядностей и число ионов уменьшается.

На большом расстоянии от поверхности облучаемого вещества лазерная плазма представляет собой гомоцентрический квазинейтральный поток, в котором энергия направленного движения значительно превышает тепловую.

Энергетический разброс ионов в лазерной плазме зависит от плотности потока лазерного излучения и в характерном диапазоне 10⁹ – 10¹¹ Вт/см ² изменяется в пределах от 100 до 1000 эВ. Структура энергетических спектров определяется процессами ускорения плазмы при разлете и происходящими в ней рекомбинационными процессами.

Пространственная структура спектров ионов лазерной плазмы характеризуется изотропностью разлета в пределах достаточно больших телесных углов (около 0,1π) и определяется так же, как и в случае энергетических спектров, процессами ускорения и рекомбинации ионов.

Относительный выход однозарядных ионов из лазерной плазмы определяется процессами эшелонирования ионов при разлете и рекомбинации.

Принципиальной особенностью лазерной плазмы является ее импульсный характер. В любой точке плотность ионов и энергия их направленного движения есть функции времени. Большое число ионов и, как следствие, высокие значения плотности тока делают существенным влияние пространственного заряда в формируемом ионном пучке. Эти факторы необходимо учитывать при создании лазерных источников ионов.

2.1.1 Нагревание поверхности непрозрачного тела

При описании процесса воздействия лазерного излучения па твердые непрозрачные тела (металлы, полупроводники, диэлектрики) целесообразно выделить три стадии — нагревание без изменения фазового состояния; плавление и испарение; иониза­ция испаряемого вещества и образование плазмы. В зависимо­сти от конкретных условий проведения эксперимента практически возможен как такой случай, когда реализуется только первая стадия, так и такой случай, когда в одном импульсе лазерного излучения реализуются все три стадии и их нельзя четко разделить во времени. Простейший способ описания воздействия лазерного излучения — описание отдельных стадий. Полученные результаты могут быть использованы для описания более сложного случая, когда эти стадии нельзя четко разделить.

Обратимся, таким образом, к первой стадии, характеризующейся неизменностью фазового состояния твердого тела. Основные явления в этом случае заключаются в отражении и поглощении излучения поверхностью, нагревании поверхности, распространении тепла в глубь среды за счет теплопроводности и эмиссии частиц с поверхности.

Основные закономерности, характеризующие процесс взаимо­действия света с поверхностью твердого непрозрачного тела, хорошо известны из курса оптики . Световая волна, падающая па поверхность, взаимодействует с электронами, возбуждая их колебания. Вынужденные колебания электронов приводят к воз­никновению отраженной волны. Если электроны в твердом теле полностью свободны, то излучение полностью отражается, поглощение отсутствует. Если электроны частично связаны, то часть энергии падающей волны передается твердому телу, вызывая его нагревание. Весь процесс взаимодействия света с электронами разыгрывается в очень тонком поверхностном слое, так что можно говорить о взаимодействии света с поверхностью твердого тела. При нагревании твердого тела из его поверхности вырываются различные частицы — электроны, ионы, нейтральные частицы — в результате термоэмиссии. Заряженные частицы вырываются из поверхности непосредственно под действием света за счет фотоэффекта.

Прежде чем перейти к рассмотрению этих процессов, необходимо сделать несколько общих замечаний о том, что представляет собой поверхность твердого тела. Наиболее важным свойством практически любой поверхности является ее неоднородность . Поверхность идеального кристалла па практике является идеализацией, никогда не реализующейся на достаточно большой площади. На самом деле идеальная поверхность всегда искажена физическими, химическими и индуцированными пеод-нородностями.

Физические неоднородности поверхности заключаются, во-первых, в нарушении кристаллической решетки (в смещении атомов из узлов, т. е. дефектах Френкеля и Шоттки), в образовании вакансий, что влияет на адсорбционную способность поверхности. Второй тип неоднородности — блочпость макроскопичес- кого образца, обусловливающая наличие дислокаций. В частности, различным образом могут быть ориентированы различные грани микроскопических монокристаллов, составляющих макроскопический поликристалл. Эти факторы влияют на работу выхода из поверхности.

Химическая неоднородность поверхности — это дефекты, обусловленные примесями, всегда имеющимися в сколь угодно чистом веществе по технологическим причинам.

Индуцированная неоднородность поверхности обусловлена адсорбцией поверхностью различных нейтральных (атомы, молекулы) и заряженных (ионы) частиц из окружающего газа (воздуха). Наличие посторонних частиц, адсорбированных поверхностью, приводит к изменению работы выхода из поверхности.

Наконец, большое значение имеет в ряде случаев качество обработки поверхности (например, для металлов). Макроскопически шероховатая поверхность представляет собой большое число микроскопических участков, ориентированных под разными углами к направлению падения световой волпы, а поэтому характеризуемых различным значением коэффициента отражения.

Резюмируя, надо иметь в виду, что любой макроскопический участок поверхности твердого тела характеризуется некоторыми средними значениями коэффициента отражения и работы выхода, существенно зависящими от неоднородности поверхности. В дальнейшем основное внимание будет уделено металлам, как по той причине, что для металлов наиболее хорошо развиты необходимые методы теоретического описания воздействия лазерного излучения , так и потому, что для практики металлы являются наиболее важным объектом.