Применение термоиндуцированных наноразмерных поверхностных деформаций для ослабления импульсных световых потоков
ÓÄÊ 534:535.4:539.3
ÏÐÈÌÅÍÅÍÈÅ ÒÅÐÌÎÈÍÄÓÖÈÐÎÂÀÍÍÛÕ ÍÀÍÎÐÀÇÌÅÐÍÛÕ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÍÛÕ ÄÅÔÎÐÌÀÖÈÉ ÄËß ÎÑËÀÁËÅÍÈß ÈÌÏÓËÜÑÍÛÕ ÑÂÅÒÎÂÛÕ ÏÎÒÎÊÎÂ
2009 ã. 2009 ã.
Í. Â. Ïðóäíèêîâ*, êàíä. òåõí. íàóê; Â. Â. ×åñíîêîâ**, äîêòîð òåõí. íàóê; Ä.Â. ×åñíîêîâ**, êàíä. òåõí. íàóê; Ñ. Ë. Øåðãèí**; Â. Á. Øëèøåâñêèé**, äîêòîð òåõí. íàóê
** Ñåêöèÿ ïðèêëàäíûõ ïðîáëåì ïðè Ïðåçèäèóìå ÐÀÍ, Ìîñêâà
** Ñèáèðñêàÿ ãîñóäàðñòâåííàÿ ãåîäåçè÷åñêàÿ àêàäåìèÿ, ã. Íîâîñèáèðñê
** E-mail.: d4@ngs.ru
Äàåòñÿ àíàëèç âîçìîæíîñòè îñëàáëåíèÿ èìïóëüñíûõ ñâåòîâûõ ïîòîêîâ îòðàæàþùèìè ïîâåðõíîñòÿìè çà ñ÷åò èõ íàíîðàçìåðíûõ äåôîðìàöèé, âîçáóæäàåìûõ ìîùíûì èìïóëüñíûì ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì. Íà îñíîâå ïðåäëîæåííîé ôèçè÷åñêîé ìîäåëè îáñóæäàþòñÿ òåïëîôèçè÷åñêèå àñïåêòû âîçíèêíîâåíèÿ òåðìîèíäóöèðîâàííûõ äåôîðìàöèé, õàðàêòåðíûå âðåìåíà èõ ñóùåñòâîâàíèÿ è ôóíêöèîíàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñ îïòè÷åñêèì èçëó÷åíèåì.
Êîäû OCIS: 160.6840, 230.1980, 230.3990, 230.4170
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 14.05.2008.
Èññëåäîâàíèÿ äåôîðìàöèé, èíäóöèðîâàííûõ â òâåðäîì òåëå ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì, ïðîâîäÿòñÿ äîñòàòî÷íî àêòèâíî â ðàìêàõ ôèçèêè âçàèìîäåéñòâèÿ ñâåòîâûõ ïîëåé ñ ìåòàëëàìè [1], â ñâÿçè ñ ðàçðàáîòêàìè â îáëàñòè ñèëîâîé îïòèêè [2] èëè ïðè èñïîëüçîâàíèè ëàçåðíûõ çîíäîâ äëÿ èçó÷åíèÿ ïîâåðõíîñòíûõ àêóñòè÷åñêèõ âîëí [3] ïî äåôîðìàöèÿì ïîâåðõíîñòåé ïîäëîæåê.
 ñòàòüå [4] ïðèâîäèòñÿ îáçîð ðåçóëüòàòîâ, äîñòèãíóòûõ â îáëàñòè ñîçäàíèÿ ïàññèâíûõ ôèëüòðîâ – îãðàíè÷èòåëåé èíòåíñèâíîñòè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ. Òàêèå óñòðîéñòâà ìåíÿþò ñâîþ ïîãëîùàòåëüíóþ ñïîñîáíîñòü çà ñ÷åò ýíåðãèè ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ, ïðè÷åì ýòà çàâèñèìîñòü íîñèò ñóùåñòâåííî íåëèíåéíûé õàðàêòåð – ýôôåêò íàáëþäàåòñÿ òîëüêî ïðè âûñîêèõ èíòåíñèâíîñòÿõ ñâåòîâîãî ïîòîêà.  êà÷åñòâå ïîãëîòèòåëåé èñïîëüçóþòñÿ ðàñòâîðû êðàñèòåëåé èëè ñðåäû, ñîäåðæàùèå íàíî÷àñòèöû ìåòàëëîâ, ôóëëåðåíû, óãëåðîäíûå íàíîòðóáêè. Îãðàíè÷åííîå ïðèìåíåíèå ýëåìåíòîâ ïîäîáíîãî ðîäà îáóñëîâëåíî ðåçîíàíñíûì, óçêîïîëîñíûì õàðàêòåðîì èõ ðàáîòû.
Íèæå îáñóæäàþòñÿ âîçìîæíîñòè ñîçäàíèÿ àëüòåðíàòèâíûõ ñâåòîîñëàáëÿþùèõ óñòðîéñòâ ñ èñïîëüçîâàíèåì ïîâåðõíîñòåé, ÿâëÿþùèõñÿ ãëàäêèìè è çåðêàëüíûìè â óñëîâèÿõ çàñâåòêè ñëàáûìè ñâåòîâûìè ïîòîêàìè, íî ðàññåèâàþùèõ èíòåíñèâíîå (ïîðàæàþùåå) èìïóëüñíîå ëàçåðíîå èçëó÷åíèå. Êàê áóäåò ïîêàçàíî äàëåå, óêàçàííûå ïîâåðõíîñòè ìîãóò îáåñïå÷èòü íåîáõîäèìîå ñâåòîîñëàáëåíèå, â ÷àñòíîñòè, ïðè ðåøåíèè àêòóàëüíîé ïðîáëåìû çàùèòû ãëàç è ôîòîýëåêòðè÷åñêèõ äàò÷èêîâ èçëó÷åíèé îò “îñëåïëÿþùèõ” ëàçåðíûõ çàñâåòîê, êîãäà ýíåðãèÿ äàæå îäèíî÷íîãî ëàçåðíîãî èìïóëüñà ÷àñòî
ïðèâîäèò ê ðàçðóøåíèþ ôîòî- èëè òåïëî÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ ïðåîáðàçîâàòåëåé èçîáðàæåíèÿ è, êàê ñëåäñòâèå, ê âûõîäó èç ñòðîÿ ñðåäñòâà íàáëþäåíèÿ.
Èíäóöèðóåìûå ëàçåðíûì îáëó÷åíèåì òåðìîäåôîðìàöèè ïîâåðõíîñòåé òåë âûçâàíû òåðìè÷åñêèì ðàñøèðåíèåì ìàòåðèàëà.  ñëó÷àå ïîëóïðîâîäíèêîâ ñóùåñòâóåò ìåõàíèçì èçìåíåíèÿ îáúåìà âñëåäñòâèå ãåíåðàöèè íîñèòåëåé çàðÿäà, íî â ëþáîì ñëó÷àå äåôîðìàöèè îáû÷íî íåâåëèêè. Îäíîé èç âîçìîæíîñòåé óâåëè÷åíèÿ äåôîðìàöèé è, ñëåäîâàòåëüíî, óâåëè÷åíèÿ ýôôåêòèâíîñòè âçàèìîäåéñòâèÿ òàêîé äåôîðìèðîâàííîé ïîâåðõíîñòè ñî ñâåòîâûì ïîòîêîì ÿâëÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèå îñîáîé ïîâåðõíîñòíîé äâóõñëîéíîé ñòðóêòóðû, ñîñòîÿùåé èç âåðõíåãî îòðàæàþùåãî ñëîÿ è íèæíåãî ñëîÿ, âûïîëíåííîãî èç âåùåñòâà, êîòîðîå ïîä äåéñòâèåì íàãðåâàíèÿ ìîæåò ñîâåðøèòü ôàçîâûé ïåðåõîä ñ óâåëè÷åíèåì îáúåìà, íàïðèìåð, ðàñïëàâèòüñÿ èëè èñïàðèòüñÿ. Âî âðåìÿ ïðèåìà èìïóëüñà ñôîêóñèðîâàííîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ñëîè ëîêàëüíî íàãðåâàþòñÿ, â ìåñòå íàãðåâàíèÿ ïðîèñõîäèò èñïàðåíèå íèæíåãî ñëîÿ, èçáûòî÷íûì äàâëåíèåì ïàðà âåðõíèé ñëîé äåôîðìèðóåòñÿ, ïðèíèìàåò ôîðìó êóïîëà è ðàññåèâàåò ïàäàþùåå èçëó÷åíèå. Ïîñëå îêîí÷àíèÿ äåéñòâèÿ èìïóëüñà îáëó÷åíèÿ çåðêàëî ïðèíèìàåò ñâîþ èñõîäíóþ ïëîñêóþ ôîðìó çà âðåìÿ ïîðÿäêà ìèêðîñåêóíä è ðàáîòîñïîñîáíîñòü âñåãî çàùèùàåìîãî îò îñëåïëåíèÿ ñðåäñòâà íàáëþäåíèÿ âîññòàíàâëèâàåòñÿ, â òîì ÷èñëå, â ðåçóëüòàòå âîçâðàòà íèæíåãî ñëîÿ â êîíäåíñèðîâàííîå ñîñòîÿíèå ïðè îñòûâàíèè äî òåìïåðàòóðû íèæå òåìïåðàòóðû ôàçîâîãî ïåðåõîäà. Òîò ôàêò, ÷òî èíèöèèðîâàíèå àêòèâíîñòè ïîâåðõíîñòè çåðêàëà íîñèò òåïëîâîé õàðàêòåð, ïî-
36 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 2, 2009
çâîëÿåò èñïîëüçîâàòü åãî â äîñòàòî÷íî øèðîêîé îáëàñòè ñïåêòðà.
Òðåáîâàíèÿ ê îïòè÷åñêèì ñâîéñòâàì îòðàæàþùåãî ñëîÿ ïðîòèâîðå÷èâû: ñ îäíîé ñòîðîíû, îí äîëæåí õîðîøî ïîãëîùàòü ýíåðãèþ “îñëåïëÿþùåãî” èçëó÷åíèÿ è áûñòðî ïåðåäàâàòü òåïëî âòîðîìó ñëîþ, à ñ äðóãîé – êàê ýëåìåíò îïòè÷åñêîé ñèñòåìû, îí äîëæåí îáëàäàòü âûñîêîé îòðàæàòåëüíîé ñïîñîáíîñòüþ. Ðåøåíèå ïðîáëåìû â êàæäîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå äîëæíî îïðåäåëÿòüñÿ èñõîäÿ èç òåõíè÷åñêîãî çàäàíèÿ íà ñèñòåìó â öåëîì, íî èç îáùèõ ñîîáðàæåíèé êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ â ðàáî÷åì äèàïàçîíå ñïåêòðà, ïî-âèäèìîìó, íå äîëæåí áûòü íèæå 0,8.
Ðàññåèâàþùèå ñâîéñòâà ïîâåðõíîñòè óâåëè÷èâàþòñÿ, åñëè âûïîëíèòü äâóõñëîéíóþ ñòðóêòóðó â âèäå ìàòðèöû ÿ÷ååê, çàïîëíÿþùèõ ïîâåðõíîñòü ïîäëîæêè; â òàêîì ñëó÷àå ïðè ïîãëîùåíèè ëàçåðíîãî èìïóëüñà çàñâå÷åííàÿ ÷àñòü ïîâåðõíîñòè ïðèîáðåòåò ðåëüåô â âèäå ìíîæåñòâà ìèêðîêóïîëîâ, ðàñïîëîæåííûõ ðåãóëÿðíî. Ñ ïîìîùüþ àïåðòóðíîé äèàôðàãìû, óñòàíîâëåííîé äàëåå ïî îïòè÷åñêîé îñè, èçëó÷åíèå, ðàññåÿííîå ïîä óãëàìè, ïðåâûøàþùèìè íåêîòîðûé çàäàííûé ïðåäåëüíûé óãîë ϕ, îòñåêàåòñÿ è íå ïîïàäàåò íà ôîòîïðèåìíèê.
Íà ïðàêòèêå âðåìÿ âîçíèêíîâåíèÿ ìèêðîêóïîëîâ (áûñòðîäåéñòâèå ñðàáàòûâàíèÿ) äîëæíî ñîñòàâëÿòü ïîðÿäêà 0,1–0,2 îò äëèòåëüíîñòè îñëåïëÿþùåãî èìïóëüñà èçëó÷åíèÿ (ò.å. ïðèìåðíî 1–10 íñ), à äîëÿ ðàññåÿííîé ýíåðãèè èìïóëüñà – íå ìåíåå 80–90%.
Íà ðèñ. 1 ñõåìàòè÷íî ïîêàçàíû óñòðîéñòâî ÿ÷åéêè ìàòðèöû â èñõîäíîì ïîëîæåíèè (à) è åå êîíôèãóðàöèÿ ïîñëå ñðàáàòûâàíèÿ ïîä äåéñòâèåì ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ (á). Ïðè íîðìàëüíîì ïàäåíèè ñâåòà ìàêñèìàëüíûé óãîë ðàññåÿíèÿ èçëó÷åíèÿ íà ìèêðîêóïîëàõ ñîñòàâëÿåò ϕmax ≈ 2r/rê = 4h/r, ãäå r – ðàäèóñ îñíîâàíèÿ, rê – ðàäèóñ êðèâèçíû êóïîëà.
d3 d1 h
2 2′ 1
ϕ
d2
2r rê 3
(à) (á)
Ðèñ. 1. Ñõåìà ÿ÷åéêè îïòè÷åñêîãî çàòâîðà, èñïîëüçóþùåãî òåðìîèíäóöèðîâàííóþ äåôîðìàöèþ çåðêàëüíîé ïîâåðõíîñòè. à – óñòðîéñòâî ÿ÷åéêè ìàòðèöû â èñõîäíîì ïîëîæåíèè, á – êîíôèãóðàöèÿ ÿ÷åéêè ìàòðèöû ïîñëå ñðàáàòûâàíèÿ ïîä äåéñòâèåì ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ. Ïîÿñíåíèÿ â òåêñòå.
Êàê îäíà èç âîçìîæíûõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ðåàëèçàöèé ñîçäàíèÿ çàòâîðà ìîæåò ðàññìàòðèâàòüñÿ òåõíîëîãèÿ èçãîòîâëåíèÿ êðåìíèåâûõ ìèêðîñõåì. Íà ïëîñêîé êðåìíèåâîé ïîäëîæêå 1 ôîòîëèòîãðàôè÷åñêèì ïóòåì è èçáèðàòåëüíûì òðàâëåíèåì ôîðìèðóåòñÿ ìàññèâ ïîëîñòåé 2 ãëóáèíîé ïîðÿäêà 10 íì.  êàæäóþ ïîëîñòü ïîìåùàåòñÿ ëåãêî èñïàðÿþùååñÿ ñîåäè-
íåíèå. Ïîâåðõ ìàññèâà íàíîñèòñÿ ìåòàëëè÷åñêàÿ ìåìáðàíà òîëùèíîé ïîðÿäêà 0,05 ìêì, ñîåäèíåííàÿ ñî ñòåíêàìè êàìåð è îáðàçóþùàÿ òàêèì îáðàçîì èõ “êðûøêè”. Êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ ìåìáðàíû ñîñòàâëÿåò îêîëî 80%. Ãîòîâûé ÷èï çàòâîðà ïîìåùàåòñÿ â êîðïóñ ñ îïòè÷åñêèì îêíîì, çàùèùàþùèì ïîâåðõíîñòü îò ìåõàíè÷åñêèõ ïîâðåæäåíèé, è âêëþ÷àåòñÿ â ñîñòàâ çàùèùàåìîé îò îñëåïëåíèÿ îïòèêîýëåêòðîííîé ñèñòåìû â êà÷åñòâå ïëîñêîãî çåðêàëà (íàêëîííîãî èëè àâòîêîëëèìàöèîííîãî).
Ïðè ïàäåíèè èçëó÷åíèÿ ïîãëîùåííàÿ ÷àñòü åãî ýíåðãèè íàãðåâàåò ìåìáðàíó è ïîëîñòü ïîä íåé, èñïàðÿÿ âåùåñòâî â ïîëîñòè è ñîçäàâàÿ èìïóëüñíûé ñêà÷îê äàâëåíèÿ, âûçûâàþùèé äåôîðìàöèþ ìåìáðàíû è åå èçãèá ââåðõ – îíà ïðèíèìàåò ôîðìó ñåãìåíòà ñôåðû, îáðàçóÿ ïîëîñòü 2'. ×àñòè÷íî ýòà äåôîðìàöèÿ óðàâíîâåøèâàåòñÿ äåñîðáöèåé ãàçà ñ âåðõíåé ïîâåðõíîñòè ìåìáðàíû 1.
Ïóñòü QS – ýíåðãèÿ èçëó÷åíèÿ, ïàäàþùåãî íà ïîâåðõíîñòü ÿ÷åéêè ïëîùàäüþ S. Òîãäà åå äîëÿ Qïîãë, ïîãëîùåííàÿ â ÿ÷åéêå, ñîñòàâèò Qïîãë = QS(1 – Rîòð), ãäå Rîòð – êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ ïîâåðõíîñòè ìåìáðàíû. Ïîãëîùåííàÿ ýíåðãèÿ ðàñõîäóåòñÿ íà íàãðåâàíèå ìåìáðàíû òîëùèíîé d1 è ìàññîé m1, ñëîÿ òîëùèíîé d2 èñïàðÿþùåãîñÿ âåùåñòâà ìàññîé m2 è íåêîòîðîãî ñëîÿ ïîäëîæêè (òîëùèíîé d3 è ìàññîé m3) äî ïðèìåðíî îäèíàêîâîé (â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè) òåìïåðàòóðû. Äëÿ îöåíî÷íûõ ðàñ÷åòîâ, êàê áóäåò âèäíî èç äàëüíåéøåãî, ïðàâîìåðíî èñïîëüçîâàòü ðàâåíñòâî d3 = λ3, ãäå λ3 – äëèíà òåïëîâîé âîëíû â ìàòåðèàëå ïîäëîæêè.  îáùåì ñëó÷àå ïîòðåáîâàëîñü áû ðåøàòü ÷èñëåííî óðàâíåíèå òåïëîïðîâîäíîñòè äëÿ ìíîãîñëîéíîé ñòðóêòóðû – äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå âòîðîé ñòåïåíè â ÷àñòíûõ ïðîèçâîäíûõ.
 ïðîöåññå íàãðåâàíèÿ ìàññà m2 èñïûòûâàåò ïîñëåäîâàòåëüíûå ôàçîâûå ïåðåõîäû èç òâåðäîãî ñîñòîÿíèÿ â æèäêîå, çàòåì â ãàçîîáðàçíîå. Ýíåðãèÿ, ðàñõîäóåìàÿ íà ýòè ïðîöåññû, îïðåäåëÿåòñÿ óäåëüíîé òåïëîòîé ïëàâëåíèÿ Lïë è óäåëüíîé òåïëîòîé èñïàðåíèÿ Lèñï ñîãëàñíî óðàâíåíèþ áàëàíñà
QS (1 − Rîòð ) = c1m1∆T + c2m2∆T + + m2 Lïë + m2 Lèñï + c3m3∆T ,
(1)
ãäå c1, c2 è c3 – óäåëüíûå òåïëîåìêîñòè ñëîåâ d1, d2 è d3 ñîîòâåòñòâåííî, à ∆T = T – 293 K – óâåëè÷åíèå èõ òåìïåðàòóðû ïîä äåéñòâèåì ëàçåðíîãî èìïóëü-
ñà, â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè ðàâíîå äëÿ âñåõ ñëîåâ.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 2, 2009
37
Òàê êàê ÷ëåíàìè m2Lïë è c2m2∆T2 â ñðàâíåíèè ñ îñòàëüíûìè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü ââèäó èõ ìàëîñòè, òî
QS (1 − Rîòð ) ≈ c1m1∆T + c3m3∆T + m2Lèñï . (2)
Ðàçäåëèì êàæäûé ÷ëåí óðàâíåíèÿ (2) íà ïëîùàäü S ÿ÷åéêè. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî QS = PStèS è m1–3 = ρ1–3d1–3S, ãäå PS – ïëîòíîñòü ìîùíîñòè ïàäàþùåãî íà çåðêàëî èçëó÷åíèÿ, tè – äëèòåëüíîñòü ëàçåðíîãî èìïóëüñà, à ρ1–3 – ïëîòíîñòè ñîîòâåòñòâóþùèõ èíäåêñàì âåùåñòâ, ïîëó÷èì
PS tè (1 − Rîòð ) ≈ c1ρ1d1∆T + c3ρ3d3∆T + ρ2d2 Lèñï. (3)
Ôîðìóëà (3) ïîçâîëÿåò ââåñòè êðèòåðèè âûáîðà ìàòåðèàëîâ äëÿ âñåõ òðåõ ñëîåâ. Ïîñëåäíåå ñëàãàåìîå â íåé îïðåäåëÿåò çíà÷åíèå ïîðîãîâîé ìîùíîñòè ñðàáàòûâàíèÿ ÿ÷åéêè, òàê êàê åãî âåëè÷èíà çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàåò ñóììó îñòàëüíûõ ÷ëåíîâ óðàâíåíèÿ. Ïîýòîìó, ÷òîáû ñíèçèòü ïîðîãîâóþ ìîùíîñòü ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, â êà÷åñòâå èñïàðÿþùåãîñÿ ñëåäóåò âûáèðàòü âåùåñòâî ñ ìèíèìàëüíî âîçìîæíûì çíà÷åíèåì ïðîèçâåäåíèÿ ρ2d2Lèñï. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ïîñêîëüêó ∆T = Têèï + ∆T′ – 293 K, ãäå ∆T′ – ïðåâûøåíèå òåìïåðàòóðû ïðîãðåâà ÿ÷åéêè íàä òåìïåðàòóðîé êèïåíèÿ, òî ðîñò Têèï ïðèâîäèò ê ðîñòó ∆T è, ñîîòâåòñòâåííî, ê óâåëè÷åíèþ ïåðâûõ äâóõ ñëàãàåìûõ â ïðàâîé ÷àñòè óðàâíåíèÿ (3), ÷òî íåæåëàòåëüíî. Ñëåäîâàòåëüíî, èñïàðÿþùååñÿ âåùåñòâî äîëæíî òàêæå èìåòü åùå è íåâûñîêóþ òåìïåðàòóðó êèïåíèÿ.
Ñ òåïëîôèçè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ, ìåìáðàíà äîëæíà îáëàäàòü ìàêñèìàëüíîé òåïëîïðîâîäíîñòüþ è ìèíèìàëüíîé òåïëîåìêîñòüþ, ÷òîáû áåñïðåïÿòñòâåííî ïåðåäàòü ïîãëîùåííóþ ýíåðãèþ èçëó÷åíèÿ â ñëîé 2. Âåëè÷èíà ñîñòàâëÿþùåé c1ρ1d1∆T çàâèñèò òàêæå îò òîëùèíû ìåìáðàíû d1, êîòîðàÿ ñíèçó îãðàíè÷åíà òðåáîâàíèÿìè ìåõàíè÷åñêîé ïðî÷íîñòè. Ïîäëîæêó, íàîáîðîò, æåëàòåëüíî èçãîòàâëèâàòü èç ìàòåðèàëà ñ íèçêîé òåìïåðàòóðîïðîâîäíîñòüþ a = kT/cρ (kT – êîýôôèöèåíò òåïëîïðîâîäíîñòè), íàïðèìåð èç êâàðöà, ÷òîáû óìåíüøèòü â íåå îòòîê òåïëà, îïðåäåëÿåìûé ñëàãàåìûì c3ρ3d3∆T.
Ñ ó÷åòîì óêàçàííûõ ñîîáðàæåíèé ïðè ïåðâîíà÷àëüíîì àíàëèçå íàèáîëåå ïîäõîäÿùèìè ìàòåðèàëàìè äëÿ ìåìáðàíû áûëè îïðåäåëåíû ìîëèáäåí è òèòàí, äëÿ èñïàðÿþùåãîñÿ ñëîÿ – éîä, äëÿ ïîäëîæêè – êâàðö.
Äàëüíåéøåå îáñóæäåíèå ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ ïðè ëàçåðíîì èñïàðåíèè òîíêèõ ïëåíîê, ïðîâåäåì â ñîîòâåòñòâèè ñ äàííûìè ðàáîòû [5], ñîãëàñíî êîòîðûì â êàæäûé ìîìåíò âðåìåíè óñëîâèÿ â ëþáîé òî÷êå èñïàðÿåìîé ñðåäû ÿâëÿþòñÿ ðàâíîâåñíûìè, ÷òî ïîçâîëÿåò ïîëüçîâàòüñÿ çàêîíàìè ðàâíîâåñíîé òåðìîäèíàìèêè. Êðîìå òîãî, ïðîöåññ íàãðåâà ïëåíêè ìîæíî ñ÷èòàòü ñòàöèîíàðíûì, ïîñêîëüêó ñîãëàñíî àíàëèçó, ïðîâåäåííîìó â óêàçàííîé
ðàáîòå, âðåìÿ óñòàíîâëåíèÿ ïðîôèëÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ïëîòíîñòè âåùåñòâà (â íàøåì ñëó÷àå – ïîä ìåìáðàíîé) ìåíüøå õàðàêòåðíîãî âðåìåíè èçìåíåíèÿ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ.
Ïðè òåìïåðàòóðå T âûøå òåìïåðàòóðû êèïåíèÿ ïðè íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ è íèæå êðèòè÷åñêîé äëÿ îïðåäåëåíèÿ äàâëåíèÿ ïàðà p ìîæíî èñïîëüçîâàòü àäèàáàòè÷åñêóþ çàâèñèìîñòü [5]
p
=
p0
T T0
exp
MLèñï Ró
1
T0
−
1 T
,
(4)
ãäå p0 – äàâëåíèå íàñûùåííîãî ïàðà ïðè òåìïåðàòóðå T0, M – ìîëÿðíàÿ ìàññà âåùåñòâà ïàðà, Ró – óíèâåðñàëüíàÿ ãàçîâàÿ ïîñòîÿííàÿ. Äëÿ îöåíî÷íûõ
ðàñ÷åòîâ óäîáíî çà T0 ïðèíÿòü òåìïåðàòóðó Têèï êèïåíèÿ âåùåñòâà ïðè íîðìàëüíîì àòìîñôåðíîì äàâ-
ëåíèè (p0 = 105 Ïà). Óäåëüíàÿ ýíåðãèÿ Qèñï, çàòðà÷èâàåìàÿ íà ïåðåõîä
òâåðäîå âåùåñòâî–ïàð, çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû,
à èìåííî –
Qèñï
≈
∆H
+
Ró ∆T 2M
;
çäåñü ∆H – èçìåíåíèå ýíòàëüïèè, ñîîòâåòñòâóþùåå
ïåðåõîäó èç æèäêîãî ñîñòîÿíèÿ â ãàçîîáðàçíîå.
Äàâëåíèå, îïðåäåëÿåìîå ñîîòíîøåíèåì (4), óñ-
òàíîâèòñÿ â ïðèíèìàþùåé èçëó÷åíèå ÿ÷åéêå, êîãäà
âñå åå âíóòðåííèå ïîâåðõíîñòè ïðîãðåþòñÿ äî òåì-
ïåðàòóðû T. Òàê êàê ìåìáðàíà ÿ÷åéêè ìàëîïðîçðà÷-
íà, òåïëîâîé ïîòîê ñêâîçü ÿ÷åéêó ê ïîäëîæêå èäåò
çà ñ÷åò òåïëîïðîâîäíîñòè è çà âðåìÿ tè îí ðàñïðîñòðàíèòñÿ íà ðàññòîÿíèå, â îáùåì ñëó÷àå ïðèìåðíî
ðàâíîå äëèíå òåïëîâîé âîëíû λ â ñèñòåìå ìåìáðà-
íà–ñðåäà â ÿ÷åéêå. Ïðè äëèòåëüíîñòè ëàçåðíîãî èì-
ïóëüñà tè ≈ 1 íñ äëèíà òåïëîâîé âîëíû äëÿ âîçìîæíûõ ìàòåðèàëîâ ìåìáðàíû è èñïàðÿþùåãîñÿ çàïîë-
íåíèÿ ÿ÷åéêè ñîñòàâëÿåò íå áîëåå 100–200 íì.
Ïîñêîëüêó âîçäåéñòâèå èçëó÷åíèÿ è ñîîòâåòñò-
âóþùèå äåôîðìàöèè ìåìáðàíû ïîä âîçäåéñòâèåì
äàâëåíèÿ ïàðà èìåþò êðàòêîâðåìåííûé õàðàêòåð,
âàæíî çíàòü äèíàìè÷åñêîå ïîâåäåíèå ìåìáðàíû.
Èíôîðìàöèþ îá ýòîì ìîæíî ïîëó÷èòü, îïðåäåëèâ
÷àñòîòó ν0 åå ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé. Âîñïîëüçóåìñÿ ðåçóëüòàòàìè, ïðèâåäåííûìè â [6] äëÿ êðóã-
ëîé ìåìáðàíû, æåñòêî çàêðåïëåííîé ïî êðàÿì, –
ν0
≈
Ni2α2 2πr 2
,
ãäå Ni – êîðåíü ôóíêöèè Áåññåëÿ 1-ãî ðîäà, i = 1, 2, 3, … – ïîðÿäîê êîðíÿ, r – ðàäèóñ ìåìáðàíû, α2 =
= d1
EЮ 12(1 − µ2 )ρ1
– öèëèíäðè÷åñêàÿ æåñòêîñòü (EÞ–
ìîäóëü Þíãà, µ – êîýôôèöèåíò Ïóàññîíà).
38 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 2, 2009
Ïîäñòàâèâ ñþäà ïðåäïîëàãàåìûå çíà÷åíèÿ ïà-
ðàìåòðîâ ìåìáðàíû (EÞ = 2×1011 Ïà, µ = 0,3, ρ1 =
= 10,2×103 êã/ì3, d1 = 10–7 ïîëó÷èì ν0 ≈ 4,9×106 Ãö
ì, r (ò.
= å.
5×10–6 ì, Ni=1 = 2,405), ïåðèîä ñîáñòâåííûõ
êîëåáàíèé ìåìáðàíû ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 2×10–7 ñ).
Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ïîñëå âîçäåéñòâèÿ ëàçåðíîãî èìïóëü-
ñà äëèòåëüíîñòüþ tè ≈ 10–9–10–8 ñ ìåìáðàíà ïðîäîëæèò äâèæåíèå ïî íàïðàâëåíèþ ïîëó÷åííîãî óäàðíî-
ãî âîçäåéñòâèÿ è (åñëè ïðåíåáðå÷ü âçàèìîäåéñòâèåì
ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé) áóäåò ñîâåðøàòü êîëåáàíèÿ ñ
ïåðèîäîì ïîðÿäêà 2×10–7 ñ. Àìïëèòóäà êîëåáàíèé, êàê
ëåãêî óáåäèòüñÿ, çíà÷èòåëüíî ïðåâûñèò åå ñìåùåíèå
çà âðåìÿ óäàðà. Âðåìÿ ïåðâîãî âîçâðàòà ìåìáðàíû
â íà÷àëüíîå ñîñòîÿíèå (âðåìÿ ðåëàêñàöèè çàòâîðà)
ìîæíî îöåíèòü êàê ïîëîâèíó ïåðèîäà êîëåáàíèé, ò. å.
ïîðÿäêà 10–7 ñ, íî îêîí÷àòåëüíîå óñïîêîåíèå êîëåáà-
òåëüíîãî äâèæåíèÿ ìåìáðàíû íàñòóïèò ïîñëå ñîâåð-
øåíèÿ åþ íåñêîëüêèõ (ïðèìåðíî 3–5) êîëåáàíèé.
Åñëè âðåìÿ âîçäåéñòâèÿ ëàçåðíîãî èìïóëüñà
ìíîãî ìåíüøå ïåðèîäà ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé ìåì-
áðàíû, äâèæåíèå ìåìáðàíû â ìîìåíò ëàçåðíîãî
âîçäåéñòâèÿ áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ â îñíîâíîì óæå íå
åå óïðóãèìè ñâîéñòâàìè, à èíåðöèîííûìè ñâîéñòâà-
ìè âåùåñòâà, ò. å. âòîðûì çàêîíîì Íüþòîíà è óðàâ-
íåíèåì óñêîðåííîãî äâèæåíèÿ
h
=
ptè2 2ρ1d1
.
(5)
 òàáë. 1 ïðèâåäåí ðÿä òåïëîôèçè÷åñêèõ ïàðà-
ìåòðîâ äëÿ ìàòåðèàëîâ ìåìáðàíû (Mo, Òi), èñïàðÿ-
åìîãî âåùåñòâà (I2) è ïîäëîæêè (SiO2), íåîáõîäèìûõ äëÿ ðàñ÷åòîâ ïî ôîðìóëàì (2)–(5).
Òàáëèöà 1. Òåïëîôèçè÷åñêèå ïàðàìåòðû íåêîòîðûõ ìàòåðèàëîâ [7]
Âåùåñòâî
Mo Ti
I2 SiO2
Têèï, Ê
456
λ (ïðè tè = 1 íñ), ìêì 0,2 0,07 0,012 0,03
c, Äæ/êã·ãðàä.
290 740 632,8 1250
ρ, êã/ì3
10,2×10–3 4,5×103 4,93×103 2,6×103
Ì, êã/ìîëü
0,096 0,05 0,127 0,06
a, ñì2/ñ
0,38 0,06 1,44×10–3 0,009
Lèñï, Äæ/êã
8,40×105
Òàáëèöà 2. Ïîãëîùåííàÿ ÿ÷åéêîé ýíåðãèÿ, äàâëåíèå íàñûùåííîãî ïàðà è ïëîòíîñòü ìîùíîñòè ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ ïðè äâóõ ðàçëè÷íûõ òåìïåðàòóðàõ
T, K ∆T, K
Qïîãë, Äæ
p, Ïà
PS, Âò/ì2
500 207
5,12×10–9
1,35×106 3,26×1011
550 257
5,84×10–9
1,57×107 3,72×1011
 êà÷åñòâå ïðèìåðà â òàáë. 2 ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà äàâëåíèÿ p íàñûùåííîãî ïàðà ðàáî÷åãî âåùåñòâà ïîä ìåìáðàíîé ïðè äâóõ ðàçëè÷íûõ òåìïåðàòóðàõ T íàãðåâàíèÿ ÿ÷åéêè, íåîáõîäèìîé äëÿ òàêîãî íàãðåâàíèÿ âåëè÷èíû ïîãëîùàåìîé ýíåðãèè Qïîãë è ñîîòâåòñòâóþùåé ïëîòíîñòè ìîùíîñòè PS èçëó÷åíèÿ, ïàäàþùåãî íà ÿ÷åéêó. Ïðèíèìàëîñü, ÷òî ìàòåðèàë ìåìáðàíû – ìîëèáäåíîâàÿ ïëåíêà òîëùèíîé d1 = 100 íì (c1r1d1 = 0,296 Äæ/ì2 ãðàä), ðàáî÷åå âåùåñòâî – ïëåíêà éîäà òîëùèíîé ïðèìåðíî 10 íì (ρ2d2Lèñï = 41,4 Äæ/ì2 ãðàä), ïîäëîæêà – èç ïëàâëåíîãî êâàðöà (c3ρ3λ3 ≈ 0,1 Äæ/ì2 ãðàä).
Ðàññìîòðèì ôàêòîðû, îïðåäåëÿþùèå áûñòðîòó ñðàáàòûâàíèÿ ïîäîáíîãî îïòè÷åñêîãî çàòâîðà.  ïåðâîì ïðèáëèæåíèè åãî äåéñòâèå ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ýòàïîâ:
à) ïîãëîùåíèå îïòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ ìåìáðàíîé è ïåðåäà÷à ýíåðãèè êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêå ìåòàëëà,
á) ðàñïðîñòðàíåíèå òåïëà îò ìåìáðàíû è íàãðåâàíèå îáëàñòè, çàíèìàåìîé ñëîÿìè 1, 2 è 3 (ñì. ðèñ. 1), äî òåìïåðàòóðû êèïåíèÿ â äàííûõ óñëîâèÿõ ðàáî÷åãî âåùåñòâà,
â) ïðåâðàùåíèå ðàáî÷åãî âåùåñòâà â ïàð, ã) äåôîðìàöèÿ ìåìáðàíû.  ðàññìàòðèâàåìîé ñèñòåìå ñëîæíûå ïðîöåññû òåïëîïåðåäà÷è è èñïàðåíèÿ çàïóñêàþòñÿ ôðîíòîì ëàçåðíîãî èìïóëüñà è ïðîèñõîäÿò íåïðåðûâíî è ïàðàëëåëüíî. Îäíàêî â ðàáîòå [8] îáîñíîâàíà âîçìîæíîñòü óïðîùåííîãî ïîýòàïíîãî ðàññìîòðåíèÿ ïðîöåññîâ ïðè óñëîâíîì äîïóùåíèè, ÷òî â êîíêðåòíîì ñëîå ïðîöåññû íà÷èíàþòñÿ òîëüêî ïîñëå ïîäõîäà ê íåìó òåïëîâîãî ôðîíòà, ïî èõ îêîí÷àíèè ïðîèñõîäèò ïåðåõîä òåïëîâûõ ïðîöåññîâ ê ñëåäóþùåìó ñëîþ è ò. ä. Äëèòåëüíîñòü ïåðâîãî ýòàïà îïðåäåëÿåòñÿ âçàèìîäåéñòâèåì ôîòîíîâ ñ ýëåêòðîííûì ãàçîì, êîòîðûé ïåðåäàåò òåïëîâóþ ýíåðãèþ ðåøåòêå. Äëÿ ìåòàëëîâ âðåìÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ ýíåðãèè èçëó÷åíèÿ â òåïëî âåùåñòâà ñîñòàâëÿåò t1 ≈ 10–11 ñ [1]. Ïðèáëèæåííî ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî ñëîé ìåìáðàíû òîëùèíîé íåñêîëüêî äåñÿòêîâ íàíîìåòðîâ ïðîãðåâàåòñÿ ñ îïîçäàíèåì ïîðÿäêà 10–11 ñ îò ïîãëîùåíèÿ èçëó÷åíèÿ. Äàëåå òåïëî ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ çà ñ÷åò òåïëîïðîâîäíîñòè âåùåñòâà. Âðåìÿ tl ïðîäâèæåíèÿ òåìïåðàòóðíîãî ôðîíòà íà ðàññòîÿíèå l â âåùåñòâå ñ òåïëîïðîâîäíîñòüþ a îïðåäåëÿåòñÿ âûðàæåíèåì tl = l2/a. Âðåìÿ t2, íåîáõîäèìîå äëÿ ïîãëîùåíèÿ ýíåðãèè èçëó÷åíèÿ, äîñòàòî÷íîé äëÿ ñðàáàòûâàíèÿ ÿ÷åéêè, ñîñòàâèò t2 = Qïîãë/(PSS). Íàêîíåö, âðåìÿ th, òðåáóþùååñÿ äëÿ äåôîðìàöèè ìåìáðàíû äî âåëè÷èíû ïðîãèáà h, ìîæíî îïðåäåëèòü íà îñíîâàíèè ñîîòíîøåíèÿ (5), åñëè ñ÷èòàòü,
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 2, 2009
39
÷òî äàâëåíèå íàñûùåííîãî ïàðà íåèçìåííî. Îäíàêî íà ñàìîì äåëå, òàê êàê ÿ÷åéêà íàõîäèòñÿ ïîä íåïðåðûâíûì âîçäåéñòâèåì îáëó÷åíèÿ, òåìïåðàòóðà ðàáî÷åé îáëàñòè ïîñòîÿííî íàðàñòàåò, ÷òî ïðèâîäèò ê ðîñòó äàâëåíèÿ. Îäíîâðåìåííî óâåëè÷èâàåòñÿ îáúåì, çàíèìàåìûé ïàðîì ïîä ìåìáðàíîé â ñâÿçè ñ åå äåôîðìàöèåé, ÷òî, íàîáîðîò, ñïîñîáñòâóåò óìåíüøåíèþ äàâëåíèÿ.  êàæäîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå íåîáõîäèìî îòäåëüíî îöåíèâàòü çíà÷èìîñòü îáîèõ ýòèõ ïðîöåññîâ.  äàëüíåéøèõ îðèåíòèðîâî÷íûõ ðàñ÷åòàõ áóäåì ïîëàãàòü, ÷òî äàâëåíèå, êîòîðîå äåôîðìèðóåò ìåìáðàíó, â õîäå ñðàáàòûâàíèÿ ÿ÷åéêè îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì è ðàâíûì îäíîé òðåòè îò äàâëåíèÿ íàñûùåííîãî ïàðà ïîä ìåìáðàíîé, ò. å. th = 6ρ1d1h/p.
Òàêèì îáðàçîì, îáùàÿ äëèòåëüíîñòü tΣ ïðîöåññîâ, ïðèâîäÿùèõ ê ñðàáàòûâàíèþ êëàïàíà, ñîñòàâëÿåò
tΣ ≈ t1 + tl + t2 + th =
= 10−11 +
l2 a
+
Qïîãë PS S
+
6ρ1d1h . p
Ðàñ÷åòíîå ñðàâíåíèå îòíîñèòåëüíîé ðîëè ñîñòàâëÿþùèõ âðåìåíè ñðàáàòûâàíèÿ ïîêàçûâàåò, ÷òî íàèáîëüøóþ äëèòåëüíîñòü èìååò ïåðèîä, çà êîòîðûé ìåìáðàíà ÿ÷åéêè èçîãíåòñÿ íà íåîáõîäèìóþ äëÿ ðàññåÿíèÿ èçëó÷åíèå âåëè÷èíó; ñóììà âðåìåí t1 + tl + t2 ≈ 1,0–1,5 íñ õàðàêòåðèçóåò âðåìÿ çàäåðæêè íà÷àëà ñðàáàòûâàíèÿ ÿ÷åéêè ïîñëå ïàäåíèÿ èçëó÷åíèÿ íà äåôîðìèðóåìîå çåðêàëî.
h, íì 8
43
2 1
6
4
2
1 3 5 7 tΣ, íñ
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòè ïðîãèáà ìîëèáäåíîâîé è òè-
òàíîâîé ìåìáðàí îò âðåìåíè äåôîðìàöèè ïðè ðàç-
ëè÷íûõ ïëîòíîñòÿõ ìîùíîñòè ïàäàþùåãî èçëó÷å-
íèÿ. 1, 3 – ìîëèáäåí; ×1011 Âò/ì2; 3, 4 – PS
2, =
4 – òèòàí; 3,72×1011
Â1,ò/2ì–2.PS
= 3,26×
Íà ðèñ. 2 ïðåäñòàâëåíû çàâèñèìîñòè âåëè÷èíû ïðîãèáà ìîëèáäåíîâîé è òèòàíîâîé ìåìáðàí òîëùèíîé 100 íì îò âðåìåíè äåôîðìàöèè ïðè ðàçëè÷íûõ ïëîòíîñòÿõ ìîùíîñòè ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ (êàê è ðàíåå, ðàáî÷åå âåùåñòâî – ïëåíêà éîäà òîëùèíîé ïðèìåðíî 10 íì, ïîäëîæêà – èç ïëàâëåíîãî êâàðöà). Ìàêñèìàëüíûé óãîë ðàññåÿíèÿ ñâåòà â äàííîì ñëó÷àå ìåíÿåòñÿ îò 0,8 äî 8 ìðàä.
Ïîãëîùåííàÿ äåôîðìèðóåìîé ïîâåðõíîñòüþ òåïëîâàÿ ýíåðãèÿ äîëæíà áûòü çàòåì îòâåäåíà îò ìåñòà âûäåëåíèÿ äëÿ ïðèâåäåíèÿ ïîâåðõíîñòè çåðêàëà â ïåðâîíà÷àëüíîå ñîñòîÿíèå ïîñëå îêîí÷àíèÿ èìïóëüñà îáëó÷åíèÿ ïîâåðõíîñòè. Ðåøåíèå ïðîáëåìû âîçìîæíî çà ñ÷åò èñïîëüçîâàíèÿ ÷åòûðåõñëîéíîé ñòðóêòóðû, åñëè îáåñïå÷èòü ñòîê òåïëà ÷åðåç ñëîé SiO2, ÿâëÿþùèéñÿ äíîì ÿ÷åéêè, â õîðîøî òåïëîïðîâîäÿùóþ ïîäëîæêó.
Ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè τ îòâîäà òåïëà â ïðèáëèæåíèè ñîõðàíåíèÿ òåìïåðàòóðû ïîäëîæêè íåèçìåííîé ðàâíà
τ
≈
RT C
=
d3 k
(c1ρ1d1 +
c2ρ2 d 2
+
c3ρ3λ3
),
ãäå RT = λ3/k – òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå ïëåíêè îêèñëà, k – ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà, C = c1ρ1d1 + c2ρ2d2 + + c3ρ3λ3 – òåïëîâàÿ åìêîñòü ÿ÷åéêè. Ïîäñ÷åòû äàþò çíà÷åíèå τ = (5–10)×10–8 ñ.
Âàæíî ïîä÷åðêíóòü, ÷òî ýôôåêò òåðìîèíäóöèðîâàííîãî îñëàáëåíèÿ èíòåíñèâíîñòè ñâåòîâûõ ïîòîêîâ èìååò ïîðîãîâûé õàðàêòåð. Ïðè ïëîòíîñòè ìîùíîñòè ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ ìåíüøå íåêîòîðîãî çíà÷åíèÿ, ïðè êîòîðîì ðàáî÷åå âåùåñòâî ìîæåò êèïåòü, ñðàáàòûâàíèÿ ÿ÷ååê íå ïðîèçîéäåò. Òàê, åñëè â ðàññìîòðåííîì âûøå ïðèìåðå ìåìáðàíà ÿ÷åéêè ñ éîäîì èìååò äèàìåòð 10 ìêì, òî ïîëíàÿ èìïóëüñíàÿ ìîùíîñòü, âûíóæäàþùàÿ åå ñðàáîòàòü çà 1 íñ, äîëæíà áûòü íå ìåíåå 30 Âò (ýíåðãèÿ îáëó÷åíèÿ Q ≈ 3×10–8 Äæ, ïëîòíîñòü ýíåðãèè â ïàäàþùåì èìïóëüñå èçëó÷åíèÿ P ≈ 370 Äæ/ì2).
Ïðèâåäåííûé àíàëèç ïîêàçûâàåò, ÷òî çåðêàëüíûå ïëåíî÷íûå ñòðóêòóðû, â êîòîðûõ ïîä äåéñòâèåì èíòåíñèâíîãî èçëó÷åíèÿ ïðîèñõîäÿò òåðìîèíäóöèðîâàííûå ôàçîâûå ïåðåõîäû âåùåñòâà ñ èçìåíåíèåì îáúåìà, ìîãóò áûòü îñíîâîé ñîçäàíèÿ ìèêðîìåõàíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ ñ íàíîñåêóíäíûì áûñòðîäåéñòâèåì äëÿ çàùèòû îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ è ñèñòåì îò ïîðàæàþùåãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Ïðîõîðîâ À.Ì., Êîíîâ Â.È., Óðñó È., Ìèõýèëåñêó È.Í. Âçàèìîäåéñòâèå ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ñ ìåòàëëàìè. Ì.: Íàóêà, 1988. 543 ñ.
12. Øìàêîâ Â.À. Ñèëîâàÿ îïòèêà. Ì.: Íàóêà. 2004. 318 ñ.
40 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 2, 2009
13. Îëèíåð À. Ïîâåðõíîñòíûå àêóñòè÷åñêèå âîëíû. Ì.: Ìèð, 1981. 501 ñ.
14. Êàìàíèíà Í.Â. Ôîòîôèçèêà ôóëëåðåíîñîäåðæàùèõ ñðåä: îãðàíè÷èòåëè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, äèôðàêöèîííûå ýëåìåíòû, äèñïåðãèðîâàííûå æèäêîêðèñòàëëè÷åñêèå ìîäóëÿòîðû ñâåòà // Íàíîòåõíèêà. 2006. ¹ 1. Ñ. 86–98.
15. Àíèñèìîâ Ñ. È., Èìàñ ß.À., Ðîìàíîâ Ã.Ñ., Õîäûêî Þ.Â. Äåéñòâèå èçëó÷åíèÿ áîëüøîé ìîùíîñòè íà ìåòàëëû. Ì.: Íàóêà, 1970. 179 ñ.
16. Ïèñàðåíêî Ã.Ñ., ßêîâëåâ À.Ï., Ìàòâååâ Â.Â. Ñïðàâî÷íèê ïî ñîïðîòèâëåíèþ ìàòåðèàëîâ. Êèåâ: Íàóêîâà Äóìêà, 1988. 736 ñ.
17. Íèêîëüñêèé Á.Ï., Ãðèãîðîâ Î.Í., Ïîçèí Ì.Å. è äð. Ñïðàâî÷íèê õèìèêà. Ò. 1: Îáùèå ñâåäåíèÿ, ñòðîåíèå âåùåñòâà, ñâîéñòâà âàæíåéøèõ âåùåñòâ, ëàáîðàòîðíàÿ òåõíèêà. Ë.–Ì.: Õèìèÿ, 1966. 1080 ñ.
18. Êàðëîâ Í.Â., Êèðè÷åíêî Í.À., Ëóêüÿí÷óê Á.Ñ. Ëàçåðíàÿ òåðìîõèìèÿ. Ì.: Íàóêà, 1992. 296 ñ.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 2, 2009
41
ÏÐÈÌÅÍÅÍÈÅ ÒÅÐÌÎÈÍÄÓÖÈÐÎÂÀÍÍÛÕ ÍÀÍÎÐÀÇÌÅÐÍÛÕ ÏÎÂÅÐÕÍÎÑÒÍÛÕ ÄÅÔÎÐÌÀÖÈÉ ÄËß ÎÑËÀÁËÅÍÈß ÈÌÏÓËÜÑÍÛÕ ÑÂÅÒÎÂÛÕ ÏÎÒÎÊÎÂ
2009 ã. 2009 ã.
Í. Â. Ïðóäíèêîâ*, êàíä. òåõí. íàóê; Â. Â. ×åñíîêîâ**, äîêòîð òåõí. íàóê; Ä.Â. ×åñíîêîâ**, êàíä. òåõí. íàóê; Ñ. Ë. Øåðãèí**; Â. Á. Øëèøåâñêèé**, äîêòîð òåõí. íàóê
** Ñåêöèÿ ïðèêëàäíûõ ïðîáëåì ïðè Ïðåçèäèóìå ÐÀÍ, Ìîñêâà
** Ñèáèðñêàÿ ãîñóäàðñòâåííàÿ ãåîäåçè÷åñêàÿ àêàäåìèÿ, ã. Íîâîñèáèðñê
** E-mail.: d4@ngs.ru
Äàåòñÿ àíàëèç âîçìîæíîñòè îñëàáëåíèÿ èìïóëüñíûõ ñâåòîâûõ ïîòîêîâ îòðàæàþùèìè ïîâåðõíîñòÿìè çà ñ÷åò èõ íàíîðàçìåðíûõ äåôîðìàöèé, âîçáóæäàåìûõ ìîùíûì èìïóëüñíûì ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì. Íà îñíîâå ïðåäëîæåííîé ôèçè÷åñêîé ìîäåëè îáñóæäàþòñÿ òåïëîôèçè÷åñêèå àñïåêòû âîçíèêíîâåíèÿ òåðìîèíäóöèðîâàííûõ äåôîðìàöèé, õàðàêòåðíûå âðåìåíà èõ ñóùåñòâîâàíèÿ è ôóíêöèîíàëüíûå õàðàêòåðèñòèêè ïðè âçàèìîäåéñòâèè ñ îïòè÷åñêèì èçëó÷åíèåì.
Êîäû OCIS: 160.6840, 230.1980, 230.3990, 230.4170
Ïîñòóïèëà â ðåäàêöèþ 14.05.2008.
Èññëåäîâàíèÿ äåôîðìàöèé, èíäóöèðîâàííûõ â òâåðäîì òåëå ëàçåðíûì èçëó÷åíèåì, ïðîâîäÿòñÿ äîñòàòî÷íî àêòèâíî â ðàìêàõ ôèçèêè âçàèìîäåéñòâèÿ ñâåòîâûõ ïîëåé ñ ìåòàëëàìè [1], â ñâÿçè ñ ðàçðàáîòêàìè â îáëàñòè ñèëîâîé îïòèêè [2] èëè ïðè èñïîëüçîâàíèè ëàçåðíûõ çîíäîâ äëÿ èçó÷åíèÿ ïîâåðõíîñòíûõ àêóñòè÷åñêèõ âîëí [3] ïî äåôîðìàöèÿì ïîâåðõíîñòåé ïîäëîæåê.
 ñòàòüå [4] ïðèâîäèòñÿ îáçîð ðåçóëüòàòîâ, äîñòèãíóòûõ â îáëàñòè ñîçäàíèÿ ïàññèâíûõ ôèëüòðîâ – îãðàíè÷èòåëåé èíòåíñèâíîñòè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ. Òàêèå óñòðîéñòâà ìåíÿþò ñâîþ ïîãëîùàòåëüíóþ ñïîñîáíîñòü çà ñ÷åò ýíåðãèè ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ, ïðè÷åì ýòà çàâèñèìîñòü íîñèò ñóùåñòâåííî íåëèíåéíûé õàðàêòåð – ýôôåêò íàáëþäàåòñÿ òîëüêî ïðè âûñîêèõ èíòåíñèâíîñòÿõ ñâåòîâîãî ïîòîêà.  êà÷åñòâå ïîãëîòèòåëåé èñïîëüçóþòñÿ ðàñòâîðû êðàñèòåëåé èëè ñðåäû, ñîäåðæàùèå íàíî÷àñòèöû ìåòàëëîâ, ôóëëåðåíû, óãëåðîäíûå íàíîòðóáêè. Îãðàíè÷åííîå ïðèìåíåíèå ýëåìåíòîâ ïîäîáíîãî ðîäà îáóñëîâëåíî ðåçîíàíñíûì, óçêîïîëîñíûì õàðàêòåðîì èõ ðàáîòû.
Íèæå îáñóæäàþòñÿ âîçìîæíîñòè ñîçäàíèÿ àëüòåðíàòèâíûõ ñâåòîîñëàáëÿþùèõ óñòðîéñòâ ñ èñïîëüçîâàíèåì ïîâåðõíîñòåé, ÿâëÿþùèõñÿ ãëàäêèìè è çåðêàëüíûìè â óñëîâèÿõ çàñâåòêè ñëàáûìè ñâåòîâûìè ïîòîêàìè, íî ðàññåèâàþùèõ èíòåíñèâíîå (ïîðàæàþùåå) èìïóëüñíîå ëàçåðíîå èçëó÷åíèå. Êàê áóäåò ïîêàçàíî äàëåå, óêàçàííûå ïîâåðõíîñòè ìîãóò îáåñïå÷èòü íåîáõîäèìîå ñâåòîîñëàáëåíèå, â ÷àñòíîñòè, ïðè ðåøåíèè àêòóàëüíîé ïðîáëåìû çàùèòû ãëàç è ôîòîýëåêòðè÷åñêèõ äàò÷èêîâ èçëó÷åíèé îò “îñëåïëÿþùèõ” ëàçåðíûõ çàñâåòîê, êîãäà ýíåðãèÿ äàæå îäèíî÷íîãî ëàçåðíîãî èìïóëüñà ÷àñòî
ïðèâîäèò ê ðàçðóøåíèþ ôîòî- èëè òåïëî÷óâñòâèòåëüíûõ ýëåìåíòîâ ïðåîáðàçîâàòåëåé èçîáðàæåíèÿ è, êàê ñëåäñòâèå, ê âûõîäó èç ñòðîÿ ñðåäñòâà íàáëþäåíèÿ.
Èíäóöèðóåìûå ëàçåðíûì îáëó÷åíèåì òåðìîäåôîðìàöèè ïîâåðõíîñòåé òåë âûçâàíû òåðìè÷åñêèì ðàñøèðåíèåì ìàòåðèàëà.  ñëó÷àå ïîëóïðîâîäíèêîâ ñóùåñòâóåò ìåõàíèçì èçìåíåíèÿ îáúåìà âñëåäñòâèå ãåíåðàöèè íîñèòåëåé çàðÿäà, íî â ëþáîì ñëó÷àå äåôîðìàöèè îáû÷íî íåâåëèêè. Îäíîé èç âîçìîæíîñòåé óâåëè÷åíèÿ äåôîðìàöèé è, ñëåäîâàòåëüíî, óâåëè÷åíèÿ ýôôåêòèâíîñòè âçàèìîäåéñòâèÿ òàêîé äåôîðìèðîâàííîé ïîâåðõíîñòè ñî ñâåòîâûì ïîòîêîì ÿâëÿåòñÿ èñïîëüçîâàíèå îñîáîé ïîâåðõíîñòíîé äâóõñëîéíîé ñòðóêòóðû, ñîñòîÿùåé èç âåðõíåãî îòðàæàþùåãî ñëîÿ è íèæíåãî ñëîÿ, âûïîëíåííîãî èç âåùåñòâà, êîòîðîå ïîä äåéñòâèåì íàãðåâàíèÿ ìîæåò ñîâåðøèòü ôàçîâûé ïåðåõîä ñ óâåëè÷åíèåì îáúåìà, íàïðèìåð, ðàñïëàâèòüñÿ èëè èñïàðèòüñÿ. Âî âðåìÿ ïðèåìà èìïóëüñà ñôîêóñèðîâàííîãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ñëîè ëîêàëüíî íàãðåâàþòñÿ, â ìåñòå íàãðåâàíèÿ ïðîèñõîäèò èñïàðåíèå íèæíåãî ñëîÿ, èçáûòî÷íûì äàâëåíèåì ïàðà âåðõíèé ñëîé äåôîðìèðóåòñÿ, ïðèíèìàåò ôîðìó êóïîëà è ðàññåèâàåò ïàäàþùåå èçëó÷åíèå. Ïîñëå îêîí÷àíèÿ äåéñòâèÿ èìïóëüñà îáëó÷åíèÿ çåðêàëî ïðèíèìàåò ñâîþ èñõîäíóþ ïëîñêóþ ôîðìó çà âðåìÿ ïîðÿäêà ìèêðîñåêóíä è ðàáîòîñïîñîáíîñòü âñåãî çàùèùàåìîãî îò îñëåïëåíèÿ ñðåäñòâà íàáëþäåíèÿ âîññòàíàâëèâàåòñÿ, â òîì ÷èñëå, â ðåçóëüòàòå âîçâðàòà íèæíåãî ñëîÿ â êîíäåíñèðîâàííîå ñîñòîÿíèå ïðè îñòûâàíèè äî òåìïåðàòóðû íèæå òåìïåðàòóðû ôàçîâîãî ïåðåõîäà. Òîò ôàêò, ÷òî èíèöèèðîâàíèå àêòèâíîñòè ïîâåðõíîñòè çåðêàëà íîñèò òåïëîâîé õàðàêòåð, ïî-
36 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 2, 2009
çâîëÿåò èñïîëüçîâàòü åãî â äîñòàòî÷íî øèðîêîé îáëàñòè ñïåêòðà.
Òðåáîâàíèÿ ê îïòè÷åñêèì ñâîéñòâàì îòðàæàþùåãî ñëîÿ ïðîòèâîðå÷èâû: ñ îäíîé ñòîðîíû, îí äîëæåí õîðîøî ïîãëîùàòü ýíåðãèþ “îñëåïëÿþùåãî” èçëó÷åíèÿ è áûñòðî ïåðåäàâàòü òåïëî âòîðîìó ñëîþ, à ñ äðóãîé – êàê ýëåìåíò îïòè÷åñêîé ñèñòåìû, îí äîëæåí îáëàäàòü âûñîêîé îòðàæàòåëüíîé ñïîñîáíîñòüþ. Ðåøåíèå ïðîáëåìû â êàæäîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå äîëæíî îïðåäåëÿòüñÿ èñõîäÿ èç òåõíè÷åñêîãî çàäàíèÿ íà ñèñòåìó â öåëîì, íî èç îáùèõ ñîîáðàæåíèé êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ â ðàáî÷åì äèàïàçîíå ñïåêòðà, ïî-âèäèìîìó, íå äîëæåí áûòü íèæå 0,8.
Ðàññåèâàþùèå ñâîéñòâà ïîâåðõíîñòè óâåëè÷èâàþòñÿ, åñëè âûïîëíèòü äâóõñëîéíóþ ñòðóêòóðó â âèäå ìàòðèöû ÿ÷ååê, çàïîëíÿþùèõ ïîâåðõíîñòü ïîäëîæêè; â òàêîì ñëó÷àå ïðè ïîãëîùåíèè ëàçåðíîãî èìïóëüñà çàñâå÷åííàÿ ÷àñòü ïîâåðõíîñòè ïðèîáðåòåò ðåëüåô â âèäå ìíîæåñòâà ìèêðîêóïîëîâ, ðàñïîëîæåííûõ ðåãóëÿðíî. Ñ ïîìîùüþ àïåðòóðíîé äèàôðàãìû, óñòàíîâëåííîé äàëåå ïî îïòè÷åñêîé îñè, èçëó÷åíèå, ðàññåÿííîå ïîä óãëàìè, ïðåâûøàþùèìè íåêîòîðûé çàäàííûé ïðåäåëüíûé óãîë ϕ, îòñåêàåòñÿ è íå ïîïàäàåò íà ôîòîïðèåìíèê.
Íà ïðàêòèêå âðåìÿ âîçíèêíîâåíèÿ ìèêðîêóïîëîâ (áûñòðîäåéñòâèå ñðàáàòûâàíèÿ) äîëæíî ñîñòàâëÿòü ïîðÿäêà 0,1–0,2 îò äëèòåëüíîñòè îñëåïëÿþùåãî èìïóëüñà èçëó÷åíèÿ (ò.å. ïðèìåðíî 1–10 íñ), à äîëÿ ðàññåÿííîé ýíåðãèè èìïóëüñà – íå ìåíåå 80–90%.
Íà ðèñ. 1 ñõåìàòè÷íî ïîêàçàíû óñòðîéñòâî ÿ÷åéêè ìàòðèöû â èñõîäíîì ïîëîæåíèè (à) è åå êîíôèãóðàöèÿ ïîñëå ñðàáàòûâàíèÿ ïîä äåéñòâèåì ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ (á). Ïðè íîðìàëüíîì ïàäåíèè ñâåòà ìàêñèìàëüíûé óãîë ðàññåÿíèÿ èçëó÷åíèÿ íà ìèêðîêóïîëàõ ñîñòàâëÿåò ϕmax ≈ 2r/rê = 4h/r, ãäå r – ðàäèóñ îñíîâàíèÿ, rê – ðàäèóñ êðèâèçíû êóïîëà.
d3 d1 h
2 2′ 1
ϕ
d2
2r rê 3
(à) (á)
Ðèñ. 1. Ñõåìà ÿ÷åéêè îïòè÷åñêîãî çàòâîðà, èñïîëüçóþùåãî òåðìîèíäóöèðîâàííóþ äåôîðìàöèþ çåðêàëüíîé ïîâåðõíîñòè. à – óñòðîéñòâî ÿ÷åéêè ìàòðèöû â èñõîäíîì ïîëîæåíèè, á – êîíôèãóðàöèÿ ÿ÷åéêè ìàòðèöû ïîñëå ñðàáàòûâàíèÿ ïîä äåéñòâèåì ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ. Ïîÿñíåíèÿ â òåêñòå.
Êàê îäíà èç âîçìîæíûõ òåõíîëîãè÷åñêèõ ðåàëèçàöèé ñîçäàíèÿ çàòâîðà ìîæåò ðàññìàòðèâàòüñÿ òåõíîëîãèÿ èçãîòîâëåíèÿ êðåìíèåâûõ ìèêðîñõåì. Íà ïëîñêîé êðåìíèåâîé ïîäëîæêå 1 ôîòîëèòîãðàôè÷åñêèì ïóòåì è èçáèðàòåëüíûì òðàâëåíèåì ôîðìèðóåòñÿ ìàññèâ ïîëîñòåé 2 ãëóáèíîé ïîðÿäêà 10 íì.  êàæäóþ ïîëîñòü ïîìåùàåòñÿ ëåãêî èñïàðÿþùååñÿ ñîåäè-
íåíèå. Ïîâåðõ ìàññèâà íàíîñèòñÿ ìåòàëëè÷åñêàÿ ìåìáðàíà òîëùèíîé ïîðÿäêà 0,05 ìêì, ñîåäèíåííàÿ ñî ñòåíêàìè êàìåð è îáðàçóþùàÿ òàêèì îáðàçîì èõ “êðûøêè”. Êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ ìåìáðàíû ñîñòàâëÿåò îêîëî 80%. Ãîòîâûé ÷èï çàòâîðà ïîìåùàåòñÿ â êîðïóñ ñ îïòè÷åñêèì îêíîì, çàùèùàþùèì ïîâåðõíîñòü îò ìåõàíè÷åñêèõ ïîâðåæäåíèé, è âêëþ÷àåòñÿ â ñîñòàâ çàùèùàåìîé îò îñëåïëåíèÿ îïòèêîýëåêòðîííîé ñèñòåìû â êà÷åñòâå ïëîñêîãî çåðêàëà (íàêëîííîãî èëè àâòîêîëëèìàöèîííîãî).
Ïðè ïàäåíèè èçëó÷åíèÿ ïîãëîùåííàÿ ÷àñòü åãî ýíåðãèè íàãðåâàåò ìåìáðàíó è ïîëîñòü ïîä íåé, èñïàðÿÿ âåùåñòâî â ïîëîñòè è ñîçäàâàÿ èìïóëüñíûé ñêà÷îê äàâëåíèÿ, âûçûâàþùèé äåôîðìàöèþ ìåìáðàíû è åå èçãèá ââåðõ – îíà ïðèíèìàåò ôîðìó ñåãìåíòà ñôåðû, îáðàçóÿ ïîëîñòü 2'. ×àñòè÷íî ýòà äåôîðìàöèÿ óðàâíîâåøèâàåòñÿ äåñîðáöèåé ãàçà ñ âåðõíåé ïîâåðõíîñòè ìåìáðàíû 1.
Ïóñòü QS – ýíåðãèÿ èçëó÷åíèÿ, ïàäàþùåãî íà ïîâåðõíîñòü ÿ÷åéêè ïëîùàäüþ S. Òîãäà åå äîëÿ Qïîãë, ïîãëîùåííàÿ â ÿ÷åéêå, ñîñòàâèò Qïîãë = QS(1 – Rîòð), ãäå Rîòð – êîýôôèöèåíò îòðàæåíèÿ ïîâåðõíîñòè ìåìáðàíû. Ïîãëîùåííàÿ ýíåðãèÿ ðàñõîäóåòñÿ íà íàãðåâàíèå ìåìáðàíû òîëùèíîé d1 è ìàññîé m1, ñëîÿ òîëùèíîé d2 èñïàðÿþùåãîñÿ âåùåñòâà ìàññîé m2 è íåêîòîðîãî ñëîÿ ïîäëîæêè (òîëùèíîé d3 è ìàññîé m3) äî ïðèìåðíî îäèíàêîâîé (â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè) òåìïåðàòóðû. Äëÿ îöåíî÷íûõ ðàñ÷åòîâ, êàê áóäåò âèäíî èç äàëüíåéøåãî, ïðàâîìåðíî èñïîëüçîâàòü ðàâåíñòâî d3 = λ3, ãäå λ3 – äëèíà òåïëîâîé âîëíû â ìàòåðèàëå ïîäëîæêè.  îáùåì ñëó÷àå ïîòðåáîâàëîñü áû ðåøàòü ÷èñëåííî óðàâíåíèå òåïëîïðîâîäíîñòè äëÿ ìíîãîñëîéíîé ñòðóêòóðû – äèôôåðåíöèàëüíîå óðàâíåíèå âòîðîé ñòåïåíè â ÷àñòíûõ ïðîèçâîäíûõ.
 ïðîöåññå íàãðåâàíèÿ ìàññà m2 èñïûòûâàåò ïîñëåäîâàòåëüíûå ôàçîâûå ïåðåõîäû èç òâåðäîãî ñîñòîÿíèÿ â æèäêîå, çàòåì â ãàçîîáðàçíîå. Ýíåðãèÿ, ðàñõîäóåìàÿ íà ýòè ïðîöåññû, îïðåäåëÿåòñÿ óäåëüíîé òåïëîòîé ïëàâëåíèÿ Lïë è óäåëüíîé òåïëîòîé èñïàðåíèÿ Lèñï ñîãëàñíî óðàâíåíèþ áàëàíñà
QS (1 − Rîòð ) = c1m1∆T + c2m2∆T + + m2 Lïë + m2 Lèñï + c3m3∆T ,
(1)
ãäå c1, c2 è c3 – óäåëüíûå òåïëîåìêîñòè ñëîåâ d1, d2 è d3 ñîîòâåòñòâåííî, à ∆T = T – 293 K – óâåëè÷åíèå èõ òåìïåðàòóðû ïîä äåéñòâèåì ëàçåðíîãî èìïóëü-
ñà, â ïåðâîì ïðèáëèæåíèè ðàâíîå äëÿ âñåõ ñëîåâ.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 2, 2009
37
Òàê êàê ÷ëåíàìè m2Lïë è c2m2∆T2 â ñðàâíåíèè ñ îñòàëüíûìè ìîæíî ïðåíåáðå÷ü ââèäó èõ ìàëîñòè, òî
QS (1 − Rîòð ) ≈ c1m1∆T + c3m3∆T + m2Lèñï . (2)
Ðàçäåëèì êàæäûé ÷ëåí óðàâíåíèÿ (2) íà ïëîùàäü S ÿ÷åéêè. Ó÷èòûâàÿ, ÷òî QS = PStèS è m1–3 = ρ1–3d1–3S, ãäå PS – ïëîòíîñòü ìîùíîñòè ïàäàþùåãî íà çåðêàëî èçëó÷åíèÿ, tè – äëèòåëüíîñòü ëàçåðíîãî èìïóëüñà, à ρ1–3 – ïëîòíîñòè ñîîòâåòñòâóþùèõ èíäåêñàì âåùåñòâ, ïîëó÷èì
PS tè (1 − Rîòð ) ≈ c1ρ1d1∆T + c3ρ3d3∆T + ρ2d2 Lèñï. (3)
Ôîðìóëà (3) ïîçâîëÿåò ââåñòè êðèòåðèè âûáîðà ìàòåðèàëîâ äëÿ âñåõ òðåõ ñëîåâ. Ïîñëåäíåå ñëàãàåìîå â íåé îïðåäåëÿåò çíà÷åíèå ïîðîãîâîé ìîùíîñòè ñðàáàòûâàíèÿ ÿ÷åéêè, òàê êàê åãî âåëè÷èíà çíà÷èòåëüíî ïðåâûøàåò ñóììó îñòàëüíûõ ÷ëåíîâ óðàâíåíèÿ. Ïîýòîìó, ÷òîáû ñíèçèòü ïîðîãîâóþ ìîùíîñòü ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, â êà÷åñòâå èñïàðÿþùåãîñÿ ñëåäóåò âûáèðàòü âåùåñòâî ñ ìèíèìàëüíî âîçìîæíûì çíà÷åíèåì ïðîèçâåäåíèÿ ρ2d2Lèñï. Ñ äðóãîé ñòîðîíû, ïîñêîëüêó ∆T = Têèï + ∆T′ – 293 K, ãäå ∆T′ – ïðåâûøåíèå òåìïåðàòóðû ïðîãðåâà ÿ÷åéêè íàä òåìïåðàòóðîé êèïåíèÿ, òî ðîñò Têèï ïðèâîäèò ê ðîñòó ∆T è, ñîîòâåòñòâåííî, ê óâåëè÷åíèþ ïåðâûõ äâóõ ñëàãàåìûõ â ïðàâîé ÷àñòè óðàâíåíèÿ (3), ÷òî íåæåëàòåëüíî. Ñëåäîâàòåëüíî, èñïàðÿþùååñÿ âåùåñòâî äîëæíî òàêæå èìåòü åùå è íåâûñîêóþ òåìïåðàòóðó êèïåíèÿ.
Ñ òåïëîôèçè÷åñêîé òî÷êè çðåíèÿ, ìåìáðàíà äîëæíà îáëàäàòü ìàêñèìàëüíîé òåïëîïðîâîäíîñòüþ è ìèíèìàëüíîé òåïëîåìêîñòüþ, ÷òîáû áåñïðåïÿòñòâåííî ïåðåäàòü ïîãëîùåííóþ ýíåðãèþ èçëó÷åíèÿ â ñëîé 2. Âåëè÷èíà ñîñòàâëÿþùåé c1ρ1d1∆T çàâèñèò òàêæå îò òîëùèíû ìåìáðàíû d1, êîòîðàÿ ñíèçó îãðàíè÷åíà òðåáîâàíèÿìè ìåõàíè÷åñêîé ïðî÷íîñòè. Ïîäëîæêó, íàîáîðîò, æåëàòåëüíî èçãîòàâëèâàòü èç ìàòåðèàëà ñ íèçêîé òåìïåðàòóðîïðîâîäíîñòüþ a = kT/cρ (kT – êîýôôèöèåíò òåïëîïðîâîäíîñòè), íàïðèìåð èç êâàðöà, ÷òîáû óìåíüøèòü â íåå îòòîê òåïëà, îïðåäåëÿåìûé ñëàãàåìûì c3ρ3d3∆T.
Ñ ó÷åòîì óêàçàííûõ ñîîáðàæåíèé ïðè ïåðâîíà÷àëüíîì àíàëèçå íàèáîëåå ïîäõîäÿùèìè ìàòåðèàëàìè äëÿ ìåìáðàíû áûëè îïðåäåëåíû ìîëèáäåí è òèòàí, äëÿ èñïàðÿþùåãîñÿ ñëîÿ – éîä, äëÿ ïîäëîæêè – êâàðö.
Äàëüíåéøåå îáñóæäåíèå ïðîöåññîâ, ïðîèñõîäÿùèõ ïðè ëàçåðíîì èñïàðåíèè òîíêèõ ïëåíîê, ïðîâåäåì â ñîîòâåòñòâèè ñ äàííûìè ðàáîòû [5], ñîãëàñíî êîòîðûì â êàæäûé ìîìåíò âðåìåíè óñëîâèÿ â ëþáîé òî÷êå èñïàðÿåìîé ñðåäû ÿâëÿþòñÿ ðàâíîâåñíûìè, ÷òî ïîçâîëÿåò ïîëüçîâàòüñÿ çàêîíàìè ðàâíîâåñíîé òåðìîäèíàìèêè. Êðîìå òîãî, ïðîöåññ íàãðåâà ïëåíêè ìîæíî ñ÷èòàòü ñòàöèîíàðíûì, ïîñêîëüêó ñîãëàñíî àíàëèçó, ïðîâåäåííîìó â óêàçàííîé
ðàáîòå, âðåìÿ óñòàíîâëåíèÿ ïðîôèëÿ ðàñïðåäåëåíèÿ ïëîòíîñòè âåùåñòâà (â íàøåì ñëó÷àå – ïîä ìåìáðàíîé) ìåíüøå õàðàêòåðíîãî âðåìåíè èçìåíåíèÿ èíòåíñèâíîñòè èçëó÷åíèÿ.
Ïðè òåìïåðàòóðå T âûøå òåìïåðàòóðû êèïåíèÿ ïðè íîðìàëüíûõ óñëîâèÿõ è íèæå êðèòè÷åñêîé äëÿ îïðåäåëåíèÿ äàâëåíèÿ ïàðà p ìîæíî èñïîëüçîâàòü àäèàáàòè÷åñêóþ çàâèñèìîñòü [5]
p
=
p0
T T0
exp
MLèñï Ró
1
T0
−
1 T
,
(4)
ãäå p0 – äàâëåíèå íàñûùåííîãî ïàðà ïðè òåìïåðàòóðå T0, M – ìîëÿðíàÿ ìàññà âåùåñòâà ïàðà, Ró – óíèâåðñàëüíàÿ ãàçîâàÿ ïîñòîÿííàÿ. Äëÿ îöåíî÷íûõ
ðàñ÷åòîâ óäîáíî çà T0 ïðèíÿòü òåìïåðàòóðó Têèï êèïåíèÿ âåùåñòâà ïðè íîðìàëüíîì àòìîñôåðíîì äàâ-
ëåíèè (p0 = 105 Ïà). Óäåëüíàÿ ýíåðãèÿ Qèñï, çàòðà÷èâàåìàÿ íà ïåðåõîä
òâåðäîå âåùåñòâî–ïàð, çàâèñèò îò òåìïåðàòóðû,
à èìåííî –
Qèñï
≈
∆H
+
Ró ∆T 2M
;
çäåñü ∆H – èçìåíåíèå ýíòàëüïèè, ñîîòâåòñòâóþùåå
ïåðåõîäó èç æèäêîãî ñîñòîÿíèÿ â ãàçîîáðàçíîå.
Äàâëåíèå, îïðåäåëÿåìîå ñîîòíîøåíèåì (4), óñ-
òàíîâèòñÿ â ïðèíèìàþùåé èçëó÷åíèå ÿ÷åéêå, êîãäà
âñå åå âíóòðåííèå ïîâåðõíîñòè ïðîãðåþòñÿ äî òåì-
ïåðàòóðû T. Òàê êàê ìåìáðàíà ÿ÷åéêè ìàëîïðîçðà÷-
íà, òåïëîâîé ïîòîê ñêâîçü ÿ÷åéêó ê ïîäëîæêå èäåò
çà ñ÷åò òåïëîïðîâîäíîñòè è çà âðåìÿ tè îí ðàñïðîñòðàíèòñÿ íà ðàññòîÿíèå, â îáùåì ñëó÷àå ïðèìåðíî
ðàâíîå äëèíå òåïëîâîé âîëíû λ â ñèñòåìå ìåìáðà-
íà–ñðåäà â ÿ÷åéêå. Ïðè äëèòåëüíîñòè ëàçåðíîãî èì-
ïóëüñà tè ≈ 1 íñ äëèíà òåïëîâîé âîëíû äëÿ âîçìîæíûõ ìàòåðèàëîâ ìåìáðàíû è èñïàðÿþùåãîñÿ çàïîë-
íåíèÿ ÿ÷åéêè ñîñòàâëÿåò íå áîëåå 100–200 íì.
Ïîñêîëüêó âîçäåéñòâèå èçëó÷åíèÿ è ñîîòâåòñò-
âóþùèå äåôîðìàöèè ìåìáðàíû ïîä âîçäåéñòâèåì
äàâëåíèÿ ïàðà èìåþò êðàòêîâðåìåííûé õàðàêòåð,
âàæíî çíàòü äèíàìè÷åñêîå ïîâåäåíèå ìåìáðàíû.
Èíôîðìàöèþ îá ýòîì ìîæíî ïîëó÷èòü, îïðåäåëèâ
÷àñòîòó ν0 åå ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé. Âîñïîëüçóåìñÿ ðåçóëüòàòàìè, ïðèâåäåííûìè â [6] äëÿ êðóã-
ëîé ìåìáðàíû, æåñòêî çàêðåïëåííîé ïî êðàÿì, –
ν0
≈
Ni2α2 2πr 2
,
ãäå Ni – êîðåíü ôóíêöèè Áåññåëÿ 1-ãî ðîäà, i = 1, 2, 3, … – ïîðÿäîê êîðíÿ, r – ðàäèóñ ìåìáðàíû, α2 =
= d1
EЮ 12(1 − µ2 )ρ1
– öèëèíäðè÷åñêàÿ æåñòêîñòü (EÞ–
ìîäóëü Þíãà, µ – êîýôôèöèåíò Ïóàññîíà).
38 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 2, 2009
Ïîäñòàâèâ ñþäà ïðåäïîëàãàåìûå çíà÷åíèÿ ïà-
ðàìåòðîâ ìåìáðàíû (EÞ = 2×1011 Ïà, µ = 0,3, ρ1 =
= 10,2×103 êã/ì3, d1 = 10–7 ïîëó÷èì ν0 ≈ 4,9×106 Ãö
ì, r (ò.
= å.
5×10–6 ì, Ni=1 = 2,405), ïåðèîä ñîáñòâåííûõ
êîëåáàíèé ìåìáðàíû ñîñòàâëÿåò ïðèìåðíî 2×10–7 ñ).
Ýòî îçíà÷àåò, ÷òî ïîñëå âîçäåéñòâèÿ ëàçåðíîãî èìïóëü-
ñà äëèòåëüíîñòüþ tè ≈ 10–9–10–8 ñ ìåìáðàíà ïðîäîëæèò äâèæåíèå ïî íàïðàâëåíèþ ïîëó÷åííîãî óäàðíî-
ãî âîçäåéñòâèÿ è (åñëè ïðåíåáðå÷ü âçàèìîäåéñòâèåì
ñ îêðóæàþùåé ñðåäîé) áóäåò ñîâåðøàòü êîëåáàíèÿ ñ
ïåðèîäîì ïîðÿäêà 2×10–7 ñ. Àìïëèòóäà êîëåáàíèé, êàê
ëåãêî óáåäèòüñÿ, çíà÷èòåëüíî ïðåâûñèò åå ñìåùåíèå
çà âðåìÿ óäàðà. Âðåìÿ ïåðâîãî âîçâðàòà ìåìáðàíû
â íà÷àëüíîå ñîñòîÿíèå (âðåìÿ ðåëàêñàöèè çàòâîðà)
ìîæíî îöåíèòü êàê ïîëîâèíó ïåðèîäà êîëåáàíèé, ò. å.
ïîðÿäêà 10–7 ñ, íî îêîí÷àòåëüíîå óñïîêîåíèå êîëåáà-
òåëüíîãî äâèæåíèÿ ìåìáðàíû íàñòóïèò ïîñëå ñîâåð-
øåíèÿ åþ íåñêîëüêèõ (ïðèìåðíî 3–5) êîëåáàíèé.
Åñëè âðåìÿ âîçäåéñòâèÿ ëàçåðíîãî èìïóëüñà
ìíîãî ìåíüøå ïåðèîäà ñîáñòâåííûõ êîëåáàíèé ìåì-
áðàíû, äâèæåíèå ìåìáðàíû â ìîìåíò ëàçåðíîãî
âîçäåéñòâèÿ áóäåò îïðåäåëÿòüñÿ â îñíîâíîì óæå íå
åå óïðóãèìè ñâîéñòâàìè, à èíåðöèîííûìè ñâîéñòâà-
ìè âåùåñòâà, ò. å. âòîðûì çàêîíîì Íüþòîíà è óðàâ-
íåíèåì óñêîðåííîãî äâèæåíèÿ
h
=
ptè2 2ρ1d1
.
(5)
 òàáë. 1 ïðèâåäåí ðÿä òåïëîôèçè÷åñêèõ ïàðà-
ìåòðîâ äëÿ ìàòåðèàëîâ ìåìáðàíû (Mo, Òi), èñïàðÿ-
åìîãî âåùåñòâà (I2) è ïîäëîæêè (SiO2), íåîáõîäèìûõ äëÿ ðàñ÷åòîâ ïî ôîðìóëàì (2)–(5).
Òàáëèöà 1. Òåïëîôèçè÷åñêèå ïàðàìåòðû íåêîòîðûõ ìàòåðèàëîâ [7]
Âåùåñòâî
Mo Ti
I2 SiO2
Têèï, Ê
456
λ (ïðè tè = 1 íñ), ìêì 0,2 0,07 0,012 0,03
c, Äæ/êã·ãðàä.
290 740 632,8 1250
ρ, êã/ì3
10,2×10–3 4,5×103 4,93×103 2,6×103
Ì, êã/ìîëü
0,096 0,05 0,127 0,06
a, ñì2/ñ
0,38 0,06 1,44×10–3 0,009
Lèñï, Äæ/êã
8,40×105
Òàáëèöà 2. Ïîãëîùåííàÿ ÿ÷åéêîé ýíåðãèÿ, äàâëåíèå íàñûùåííîãî ïàðà è ïëîòíîñòü ìîùíîñòè ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ ïðè äâóõ ðàçëè÷íûõ òåìïåðàòóðàõ
T, K ∆T, K
Qïîãë, Äæ
p, Ïà
PS, Âò/ì2
500 207
5,12×10–9
1,35×106 3,26×1011
550 257
5,84×10–9
1,57×107 3,72×1011
 êà÷åñòâå ïðèìåðà â òàáë. 2 ïðåäñòàâëåíû ðåçóëüòàòû ðàñ÷åòà äàâëåíèÿ p íàñûùåííîãî ïàðà ðàáî÷åãî âåùåñòâà ïîä ìåìáðàíîé ïðè äâóõ ðàçëè÷íûõ òåìïåðàòóðàõ T íàãðåâàíèÿ ÿ÷åéêè, íåîáõîäèìîé äëÿ òàêîãî íàãðåâàíèÿ âåëè÷èíû ïîãëîùàåìîé ýíåðãèè Qïîãë è ñîîòâåòñòâóþùåé ïëîòíîñòè ìîùíîñòè PS èçëó÷åíèÿ, ïàäàþùåãî íà ÿ÷åéêó. Ïðèíèìàëîñü, ÷òî ìàòåðèàë ìåìáðàíû – ìîëèáäåíîâàÿ ïëåíêà òîëùèíîé d1 = 100 íì (c1r1d1 = 0,296 Äæ/ì2 ãðàä), ðàáî÷åå âåùåñòâî – ïëåíêà éîäà òîëùèíîé ïðèìåðíî 10 íì (ρ2d2Lèñï = 41,4 Äæ/ì2 ãðàä), ïîäëîæêà – èç ïëàâëåíîãî êâàðöà (c3ρ3λ3 ≈ 0,1 Äæ/ì2 ãðàä).
Ðàññìîòðèì ôàêòîðû, îïðåäåëÿþùèå áûñòðîòó ñðàáàòûâàíèÿ ïîäîáíîãî îïòè÷åñêîãî çàòâîðà.  ïåðâîì ïðèáëèæåíèè åãî äåéñòâèå ìîæíî ïðåäñòàâèòü â âèäå ïîñëåäîâàòåëüíîñòè ýòàïîâ:
à) ïîãëîùåíèå îïòè÷åñêîãî èçëó÷åíèÿ ìåìáðàíîé è ïåðåäà÷à ýíåðãèè êðèñòàëëè÷åñêîé ðåøåòêå ìåòàëëà,
á) ðàñïðîñòðàíåíèå òåïëà îò ìåìáðàíû è íàãðåâàíèå îáëàñòè, çàíèìàåìîé ñëîÿìè 1, 2 è 3 (ñì. ðèñ. 1), äî òåìïåðàòóðû êèïåíèÿ â äàííûõ óñëîâèÿõ ðàáî÷åãî âåùåñòâà,
â) ïðåâðàùåíèå ðàáî÷åãî âåùåñòâà â ïàð, ã) äåôîðìàöèÿ ìåìáðàíû.  ðàññìàòðèâàåìîé ñèñòåìå ñëîæíûå ïðîöåññû òåïëîïåðåäà÷è è èñïàðåíèÿ çàïóñêàþòñÿ ôðîíòîì ëàçåðíîãî èìïóëüñà è ïðîèñõîäÿò íåïðåðûâíî è ïàðàëëåëüíî. Îäíàêî â ðàáîòå [8] îáîñíîâàíà âîçìîæíîñòü óïðîùåííîãî ïîýòàïíîãî ðàññìîòðåíèÿ ïðîöåññîâ ïðè óñëîâíîì äîïóùåíèè, ÷òî â êîíêðåòíîì ñëîå ïðîöåññû íà÷èíàþòñÿ òîëüêî ïîñëå ïîäõîäà ê íåìó òåïëîâîãî ôðîíòà, ïî èõ îêîí÷àíèè ïðîèñõîäèò ïåðåõîä òåïëîâûõ ïðîöåññîâ ê ñëåäóþùåìó ñëîþ è ò. ä. Äëèòåëüíîñòü ïåðâîãî ýòàïà îïðåäåëÿåòñÿ âçàèìîäåéñòâèåì ôîòîíîâ ñ ýëåêòðîííûì ãàçîì, êîòîðûé ïåðåäàåò òåïëîâóþ ýíåðãèþ ðåøåòêå. Äëÿ ìåòàëëîâ âðåìÿ ïðåîáðàçîâàíèÿ ýíåðãèè èçëó÷åíèÿ â òåïëî âåùåñòâà ñîñòàâëÿåò t1 ≈ 10–11 ñ [1]. Ïðèáëèæåííî ìîæíî ñ÷èòàòü, ÷òî ñëîé ìåìáðàíû òîëùèíîé íåñêîëüêî äåñÿòêîâ íàíîìåòðîâ ïðîãðåâàåòñÿ ñ îïîçäàíèåì ïîðÿäêà 10–11 ñ îò ïîãëîùåíèÿ èçëó÷åíèÿ. Äàëåå òåïëî ðàñïðîñòðàíÿåòñÿ çà ñ÷åò òåïëîïðîâîäíîñòè âåùåñòâà. Âðåìÿ tl ïðîäâèæåíèÿ òåìïåðàòóðíîãî ôðîíòà íà ðàññòîÿíèå l â âåùåñòâå ñ òåïëîïðîâîäíîñòüþ a îïðåäåëÿåòñÿ âûðàæåíèåì tl = l2/a. Âðåìÿ t2, íåîáõîäèìîå äëÿ ïîãëîùåíèÿ ýíåðãèè èçëó÷åíèÿ, äîñòàòî÷íîé äëÿ ñðàáàòûâàíèÿ ÿ÷åéêè, ñîñòàâèò t2 = Qïîãë/(PSS). Íàêîíåö, âðåìÿ th, òðåáóþùååñÿ äëÿ äåôîðìàöèè ìåìáðàíû äî âåëè÷èíû ïðîãèáà h, ìîæíî îïðåäåëèòü íà îñíîâàíèè ñîîòíîøåíèÿ (5), åñëè ñ÷èòàòü,
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 2, 2009
39
÷òî äàâëåíèå íàñûùåííîãî ïàðà íåèçìåííî. Îäíàêî íà ñàìîì äåëå, òàê êàê ÿ÷åéêà íàõîäèòñÿ ïîä íåïðåðûâíûì âîçäåéñòâèåì îáëó÷åíèÿ, òåìïåðàòóðà ðàáî÷åé îáëàñòè ïîñòîÿííî íàðàñòàåò, ÷òî ïðèâîäèò ê ðîñòó äàâëåíèÿ. Îäíîâðåìåííî óâåëè÷èâàåòñÿ îáúåì, çàíèìàåìûé ïàðîì ïîä ìåìáðàíîé â ñâÿçè ñ åå äåôîðìàöèåé, ÷òî, íàîáîðîò, ñïîñîáñòâóåò óìåíüøåíèþ äàâëåíèÿ.  êàæäîì êîíêðåòíîì ñëó÷àå íåîáõîäèìî îòäåëüíî îöåíèâàòü çíà÷èìîñòü îáîèõ ýòèõ ïðîöåññîâ.  äàëüíåéøèõ îðèåíòèðîâî÷íûõ ðàñ÷åòàõ áóäåì ïîëàãàòü, ÷òî äàâëåíèå, êîòîðîå äåôîðìèðóåò ìåìáðàíó, â õîäå ñðàáàòûâàíèÿ ÿ÷åéêè îñòàåòñÿ ïîñòîÿííûì è ðàâíûì îäíîé òðåòè îò äàâëåíèÿ íàñûùåííîãî ïàðà ïîä ìåìáðàíîé, ò. å. th = 6ρ1d1h/p.
Òàêèì îáðàçîì, îáùàÿ äëèòåëüíîñòü tΣ ïðîöåññîâ, ïðèâîäÿùèõ ê ñðàáàòûâàíèþ êëàïàíà, ñîñòàâëÿåò
tΣ ≈ t1 + tl + t2 + th =
= 10−11 +
l2 a
+
Qïîãë PS S
+
6ρ1d1h . p
Ðàñ÷åòíîå ñðàâíåíèå îòíîñèòåëüíîé ðîëè ñîñòàâëÿþùèõ âðåìåíè ñðàáàòûâàíèÿ ïîêàçûâàåò, ÷òî íàèáîëüøóþ äëèòåëüíîñòü èìååò ïåðèîä, çà êîòîðûé ìåìáðàíà ÿ÷åéêè èçîãíåòñÿ íà íåîáõîäèìóþ äëÿ ðàññåÿíèÿ èçëó÷åíèå âåëè÷èíó; ñóììà âðåìåí t1 + tl + t2 ≈ 1,0–1,5 íñ õàðàêòåðèçóåò âðåìÿ çàäåðæêè íà÷àëà ñðàáàòûâàíèÿ ÿ÷åéêè ïîñëå ïàäåíèÿ èçëó÷åíèÿ íà äåôîðìèðóåìîå çåðêàëî.
h, íì 8
43
2 1
6
4
2
1 3 5 7 tΣ, íñ
Ðèñ. 2. Çàâèñèìîñòè ïðîãèáà ìîëèáäåíîâîé è òè-
òàíîâîé ìåìáðàí îò âðåìåíè äåôîðìàöèè ïðè ðàç-
ëè÷íûõ ïëîòíîñòÿõ ìîùíîñòè ïàäàþùåãî èçëó÷å-
íèÿ. 1, 3 – ìîëèáäåí; ×1011 Âò/ì2; 3, 4 – PS
2, =
4 – òèòàí; 3,72×1011
Â1,ò/2ì–2.PS
= 3,26×
Íà ðèñ. 2 ïðåäñòàâëåíû çàâèñèìîñòè âåëè÷èíû ïðîãèáà ìîëèáäåíîâîé è òèòàíîâîé ìåìáðàí òîëùèíîé 100 íì îò âðåìåíè äåôîðìàöèè ïðè ðàçëè÷íûõ ïëîòíîñòÿõ ìîùíîñòè ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ (êàê è ðàíåå, ðàáî÷åå âåùåñòâî – ïëåíêà éîäà òîëùèíîé ïðèìåðíî 10 íì, ïîäëîæêà – èç ïëàâëåíîãî êâàðöà). Ìàêñèìàëüíûé óãîë ðàññåÿíèÿ ñâåòà â äàííîì ñëó÷àå ìåíÿåòñÿ îò 0,8 äî 8 ìðàä.
Ïîãëîùåííàÿ äåôîðìèðóåìîé ïîâåðõíîñòüþ òåïëîâàÿ ýíåðãèÿ äîëæíà áûòü çàòåì îòâåäåíà îò ìåñòà âûäåëåíèÿ äëÿ ïðèâåäåíèÿ ïîâåðõíîñòè çåðêàëà â ïåðâîíà÷àëüíîå ñîñòîÿíèå ïîñëå îêîí÷àíèÿ èìïóëüñà îáëó÷åíèÿ ïîâåðõíîñòè. Ðåøåíèå ïðîáëåìû âîçìîæíî çà ñ÷åò èñïîëüçîâàíèÿ ÷åòûðåõñëîéíîé ñòðóêòóðû, åñëè îáåñïå÷èòü ñòîê òåïëà ÷åðåç ñëîé SiO2, ÿâëÿþùèéñÿ äíîì ÿ÷åéêè, â õîðîøî òåïëîïðîâîäÿùóþ ïîäëîæêó.
Ïîñòîÿííàÿ âðåìåíè τ îòâîäà òåïëà â ïðèáëèæåíèè ñîõðàíåíèÿ òåìïåðàòóðû ïîäëîæêè íåèçìåííîé ðàâíà
τ
≈
RT C
=
d3 k
(c1ρ1d1 +
c2ρ2 d 2
+
c3ρ3λ3
),
ãäå RT = λ3/k – òåïëîâîå ñîïðîòèâëåíèå ïëåíêè îêèñëà, k – ïîñòîÿííàÿ Áîëüöìàíà, C = c1ρ1d1 + c2ρ2d2 + + c3ρ3λ3 – òåïëîâàÿ åìêîñòü ÿ÷åéêè. Ïîäñ÷åòû äàþò çíà÷åíèå τ = (5–10)×10–8 ñ.
Âàæíî ïîä÷åðêíóòü, ÷òî ýôôåêò òåðìîèíäóöèðîâàííîãî îñëàáëåíèÿ èíòåíñèâíîñòè ñâåòîâûõ ïîòîêîâ èìååò ïîðîãîâûé õàðàêòåð. Ïðè ïëîòíîñòè ìîùíîñòè ïàäàþùåãî èçëó÷åíèÿ ìåíüøå íåêîòîðîãî çíà÷åíèÿ, ïðè êîòîðîì ðàáî÷åå âåùåñòâî ìîæåò êèïåòü, ñðàáàòûâàíèÿ ÿ÷ååê íå ïðîèçîéäåò. Òàê, åñëè â ðàññìîòðåííîì âûøå ïðèìåðå ìåìáðàíà ÿ÷åéêè ñ éîäîì èìååò äèàìåòð 10 ìêì, òî ïîëíàÿ èìïóëüñíàÿ ìîùíîñòü, âûíóæäàþùàÿ åå ñðàáîòàòü çà 1 íñ, äîëæíà áûòü íå ìåíåå 30 Âò (ýíåðãèÿ îáëó÷åíèÿ Q ≈ 3×10–8 Äæ, ïëîòíîñòü ýíåðãèè â ïàäàþùåì èìïóëüñå èçëó÷åíèÿ P ≈ 370 Äæ/ì2).
Ïðèâåäåííûé àíàëèç ïîêàçûâàåò, ÷òî çåðêàëüíûå ïëåíî÷íûå ñòðóêòóðû, â êîòîðûõ ïîä äåéñòâèåì èíòåíñèâíîãî èçëó÷åíèÿ ïðîèñõîäÿò òåðìîèíäóöèðîâàííûå ôàçîâûå ïåðåõîäû âåùåñòâà ñ èçìåíåíèåì îáúåìà, ìîãóò áûòü îñíîâîé ñîçäàíèÿ ìèêðîìåõàíè÷åñêèõ óñòðîéñòâ ñ íàíîñåêóíäíûì áûñòðîäåéñòâèåì äëÿ çàùèòû îïòèêî-ýëåêòðîííûõ ïðèáîðîâ è ñèñòåì îò ïîðàæàþùåãî ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ.
ËÈÒÅÐÀÒÓÐÀ
11. Ïðîõîðîâ À.Ì., Êîíîâ Â.È., Óðñó È., Ìèõýèëåñêó È.Í. Âçàèìîäåéñòâèå ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ ñ ìåòàëëàìè. Ì.: Íàóêà, 1988. 543 ñ.
12. Øìàêîâ Â.À. Ñèëîâàÿ îïòèêà. Ì.: Íàóêà. 2004. 318 ñ.
40 “Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 2, 2009
13. Îëèíåð À. Ïîâåðõíîñòíûå àêóñòè÷åñêèå âîëíû. Ì.: Ìèð, 1981. 501 ñ.
14. Êàìàíèíà Í.Â. Ôîòîôèçèêà ôóëëåðåíîñîäåðæàùèõ ñðåä: îãðàíè÷èòåëè ëàçåðíîãî èçëó÷åíèÿ, äèôðàêöèîííûå ýëåìåíòû, äèñïåðãèðîâàííûå æèäêîêðèñòàëëè÷åñêèå ìîäóëÿòîðû ñâåòà // Íàíîòåõíèêà. 2006. ¹ 1. Ñ. 86–98.
15. Àíèñèìîâ Ñ. È., Èìàñ ß.À., Ðîìàíîâ Ã.Ñ., Õîäûêî Þ.Â. Äåéñòâèå èçëó÷åíèÿ áîëüøîé ìîùíîñòè íà ìåòàëëû. Ì.: Íàóêà, 1970. 179 ñ.
16. Ïèñàðåíêî Ã.Ñ., ßêîâëåâ À.Ï., Ìàòâååâ Â.Â. Ñïðàâî÷íèê ïî ñîïðîòèâëåíèþ ìàòåðèàëîâ. Êèåâ: Íàóêîâà Äóìêà, 1988. 736 ñ.
17. Íèêîëüñêèé Á.Ï., Ãðèãîðîâ Î.Í., Ïîçèí Ì.Å. è äð. Ñïðàâî÷íèê õèìèêà. Ò. 1: Îáùèå ñâåäåíèÿ, ñòðîåíèå âåùåñòâà, ñâîéñòâà âàæíåéøèõ âåùåñòâ, ëàáîðàòîðíàÿ òåõíèêà. Ë.–Ì.: Õèìèÿ, 1966. 1080 ñ.
18. Êàðëîâ Í.Â., Êèðè÷åíêî Í.À., Ëóêüÿí÷óê Á.Ñ. Ëàçåðíàÿ òåðìîõèìèÿ. Ì.: Íàóêà, 1992. 296 ñ.
“Îïòè÷åñêèé æóðíàë”, òîì 76, ¹ 2, 2009
41