Морфология «лазерных» повреждений в германии

Воздействие на пластины монокристаллов германия излучения сверхпороговой интенсивности приводило к появлению на их входной поверхности зоны сплошных повреждений, причём размеры и форма этой области полностью соответствуют размерам и форме сечения лазерного луча на образце.

Рентгенотопографические исследования по методу Бормана [328] бездислокационных пластинок германия после воздействия (рисунки 4.5, 4.6) позволили дополнить картину «лазерных» повреждений целым рядом дополнительных фактов. На голограммах образцов, вблизи поверхности которых появлялось плазменное образование (рисунок 4.5 а), отчётливо видна тонкая окисная плёнка. Площадь, занимаемая этой плёнкой, зачастую превышает размеры сечения лазерного луча на образце примерно вдвое.

незначительный контраст. Основной контраст возникал из-за рассеяния рентгеновского излучения искажениями структуры кристаллической решётки германия, возникающими вблизи повреждённых областей.

Значительно более информативны рентгеновские топограммы образцов бездислокационных кристаллов, воздействие излучения на которые не сопровождалось пробоем воздуха перед поверхностью (допороговой режим воздействия). Типичные топограммы, полученные при исследовании таких образцов, показаны на рисунке 4.6. Повреждения в приповерхностном слое носили, как хорошо видно, очаговый характер. Рост плотности мощности воздействующего излучения вдвое в этом случае приводил к соответствующему возрастанию числа очагов повреждений.

Области очаговых повреждений на рентгеновских голограммах разрешались благодаря возникшим вокруг дефектов сферически симметричным полям внутренних напряжений. Размер этих зон, искажающих кристаллическую структуру материала и рассеивающих рентгеновское излучение, составляет примерно 0,l÷0,2 мм. Исследование образцов, прошедших десятикратное воздействие, показал, что рост числа воздействующих импульсов может приводить к увеличению толщины нарушенного слоя.

На рисунке 4.7 приведены микрофотографии кратероподобных дефектов, обнаруженных ранее на рентгеновской голограмме бездислокационного образца после воздействия излучением с интенсивностью ~ 10 МВт/см² (рисунок 4.6 а). Сами кратеры, ввиду малого размера, на микрофотографиях не разрешались, однако отчётливо наблюдалось геометрически почти правильное кольцо из иглоподобных образований, ориентированных в направлении . Внешний диаметр кольца «большего» кратера составляет ~ 230 мкм, а меньшего - ~ 130÷150 мкм. Эти «иголочки», по-видимому, являются частицами германия (а, возможно, и окиси германия), испарённого из кратера и конденсировавшегося на поверхности образца.

151

Рисунок 4.4 - Микрофотография края зоны повреждений на поверхности бездислокационных монокристаллов германия после воздействия излучения с Wpi = 230 МВт/см²; в), г), д) - увеличенное изображение участка концентрических образований, показанных на рисунке 4.4 б)

Рисунок 4.5 - Рентгеновские голограммы с входной грани облученных бездислокационных монокристаллов (поверхность химически полирована); Wpi = 130 МВт/см²

Несмотря на то, что на рентгеновских голограммах зафиксированы весьма значительные участки нарушений кристаллической структуры, большая часть возникших микрократеров не разрешается в световом микроскопе даже при максимально возможном увеличении. Местоположение микрократеров удавалось определить лишь по следам выброса материала - ореолу из иглоподобных образований. На микрофотографиях сам кратер не разрешался, его положение лишь угадывалось. Исследование подобных участков с помощью микроинтерферометра Линника МИИ-4 позволило установить, что обнаруженные дефекты являются поднятиями высотой до 5 мкм, в центре которых расположены микрократеры. Вокруг поднятий - ореол из иглоподобных образований.

Рисунок 4.6 - Рентгеновские голограммы образцов при отсутствии плазменного факела

На выходной поверхности пластинок, подвергавшихся воздействию лазерного излучения сверхпороговой интенсивности, также наблюдались повреждения, но они гораздо менее заметны и лишь декорируют дефекты, оставшиеся после обработки приповерхностного слоя образца. Морфология этих дефектов сходна с повреждениями, которые наблюдались на входной грани образцов из германия при воздействии излучением допороговой интенсивности (рисунки 4.7, 4.8).

полированной поверхности монокристаллов марки ГМО, уже после воздействия одного импульса, возникали повреждения, декорирующие дефекты оптической обработки (рисунок 4.9).

154

Рисунок 4.7 - Микрофотографии дефектов, показанных на топограммах (рисунок

4.6 а); на большом кратере различаются две зоны: дальняя - с ориентированными «иголочками», и ближняя - с неориентированными «иголочками» (направления роста «иголочек» - )

Для монокристаллического германия, в отличие от большинства других материалов исследовавшихся нами, характерна довольно высокая скорость накопления так называемых допороговых повреждений, то есть таких дефектов образца, которые возникают в результате воздействия лазерным импульсом допороговой интенсивности, практически не искажающимся при прохождении через кристаллическую пластину. На рисунке 4.10 приведена фотография монокристаллического германиевого зеркала, проработавшего в резонаторе нашего лазера при средней плотности энергии в импульсе 1÷8 Дж/см², то есть в допороговом режиме. На рисунке 4.11 приведены фотографии

отдельных микроучастков рабочих поверхностей таких зеркал, на которые воздействовало различное количество импульсов излучения. Они наглядно иллюстрируют процесс накопления повреждений. Первые повреждения возникают, как хорошо видно на рисунках, на дефектах структуры приповерхностного слоя образца и имеют отчётливо выраженный очаговый характер.

Рисунок 4.8 - Микрофотография области кратера, показанного стрелкой на

TnnnmaMVlA (ГШГІ'ЦПк'Д A FO

156

Рисунок 4.11- Микрофотография участков поверхности лазерных зеркал после многократного воздействия с плотностью энергии ~ 1-8 Дж/см²

На оптически обработанной поверхности германия очаги возникали на таких дефектах оптической обработки, как царапины шириной более 0,5 мкм и включения абразива (рисунки 4.11, 4.12).

Многократное воздействие лазерного излучения на поверхность полупрозрачных выходных германиевых зеркал лазеров, описанных в работах [6, А10], приводило к тому, что такие структурные дефекты декорировались микрократерами и микротрещинами, размеры которых постепенно увеличивались. При использовавшихся в работе условиях эксперимента царапины шириной более 0,5 мкм, то есть реально наблюдавшиеся в микроскоп, являлись зародышами повреждений. На оптически полированной поверхности встречались также выколы глубиной 0,25÷l мкм и менее

(рисунок 4.11 в). C ростом числа воздействующих лазерных импульсов кратерная зона расширялась и углублялась. На рисунке 4.11 б показана микрофотография участка поверхности германиевого зеркала, повреждённого при воздействии 120 лазерными импульсами. Эффективность действия излучения наглядно продемонстрирована на снимке места пересечения двух царапин, которые уже заметно декорированы слившимися кратерными образованиями. На следующей стадии от царапин развивались микротрещины по плоскостям спайности {111}, на которых также, в свою очередь, также возникали кратеры и так далее.

Пространство между кратерами заполнялось распылённым из них конденсатом. После воздействия 1000÷2000 лазерными импульсами на оптически обработанной поверхности германиевого зеркала образовывалась сетка микротрещин по плоскостям спайности {111}, на которых возникали новые микрократеры. Пространство между ними постепенно заполнялось эпитаксиальной плёнкой, образующейся при конденсации испарённого из кратеров вещества (рисунок 4.11 а). Последующее воздействие лазерным излучением на те же участки зеркальной поверхности вызывало углубление кратеров и инициировало появление на зеркале выколов с поперечным размером до 100

мкм и глубиной до 50 мкм (рисунок 4.11 в). Подобные повреждения уже заметно ухудшают оптическое качество зеркальной поверхности, и наличие столь значительных искажений поверхности резонаторных зеркал приводит к заметному снижению уровня выходной энергии лазера (примерно вдвое) при значительном ухудшении распределения излучения и его расходимости.

При многократном режиме воздействия излучением допороговой интенсивности на германиевых зеркалах также возникает поверхностный рельеф, имеющий форму сетки гексагонов, являющихся поднятиями с размером ребра ~ 10÷15 мкм. На рисунке 4.13 приведена электронная микрофотография типичного участка поверхности германиевого зеркала, на которой отчётливо видна эта сетка.

C ростом плотности мощности воздействующего лазерного импульса скорость накопления повреждений на поверхности германия увеличивалась. Так, при воздействии лазерными импульсами с интенсивностью Wpi ~ (2÷3)? IO⁸Вт/см², скорость накопления дефектов резко возрастала (на два порядка), то есть разрушения, сходные с приведёнными на рисунке 4.11, возникали уже после воздействия ~ 50 импульсами.

После исследования структуры и морфологии, описанных выше «лазерных» дефектов, поверхностный слой повреждённых образцов сполировывался, а затем проводилось контрольное травление, которое не выявило сколь либо заметных следов объёмных повреждений. Данный результат позволил вновь, причём неоднократно, использовать после переполировки повреждённые лазерные зеркала из монокристаллического германия.