RU2664967C1

RU2664967C1 - Method of generating terahertz pulses based on thermoelastic effect

Info

Publication number: RU2664967C1
Application number: RU2017138379A
Authority: RU
Inventors: Александр Алексеевич Карабутов; Елена Борисовна Черепецкая; Василий Павлович Зарубин; Антон Сергеевич Бычков; Иван Александрович Шибаев; Дмитрий Валентинович Морозов; Максим Владимирович Сизиков; Екатерина Андреевна Тухель
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2018-08-24

Abstract

FIELD: technological processes.

SUBSTANCE: used for the generation of terahertz pulses based on the thermoelastic effect. Essence of the invention is that acoustic vibrations are produced by the action of a laser pulse on a pair of metals, one of which, exposed to laser radiation, is a film of a metal alloy, and the second material is a substrate serving to convert the resulting ultrasonic pulses into electromagnetic radiation, wherein the thickness of the metal film is selected from the condition that the absorption of the laser radiation takes place completely in its near-surface zone, and the power and duration of the laser pulse are calculated proceeding from the inadmissibility of evaporation of the irradiated substance and the formation of phase transitions in it.

EFFECT: ensuring the possibility of stable generation of terahertz electromagnetic pulses.

1 cl, 2 dwg, 2 tbl

Description

Предлагаемое изобретение относится к неразрушающим методам исследования твердых материалов и может быть использовано при диагностике структуры различных твердых материалов.The present invention relates to non-destructive methods for the study of solid materials and can be used in the diagnosis of the structure of various solid materials.

Известен способ возбуждения когерентного электромагнитного излучения в диапазоне частот 1-100 ТГц в кристаллических материалах при воздействии ударной волны или распространяющегося возбуждения в виде солитона. Согласно данному способу терагерцовое электромагнитное излучение генерируется в результате синхронного движения большого чисел атомов при распространении ударной волны через кристалл. Частоты излучения определяются скоростью удара и постоянными решетки кристалла и могут потенциально использоваться для определения атомно-масштабных свойств материала (Статья «Coherent Optical Photons from Shock Waves in Crystals», Evan J. Reed, Marin Soljacic, Richard Gee, and J. D. Joannopoulos, Phys. Rev. Lett. 96, 013904 - Published 11 January 2006.)A known method of exciting coherent electromagnetic radiation in the frequency range 1-100 THz in crystalline materials when exposed to a shock wave or propagating excitation in the form of a soliton. According to this method, terahertz electromagnetic radiation is generated as a result of the synchronous movement of a large number of atoms during the propagation of a shock wave through a crystal. Emission frequencies are determined by the impact velocity and lattice constants of the crystal and can potentially be used to determine the atomic-scale properties of a material (Coherent Optical Photons from Shock Waves in Crystals, Evan J. Reed, Marin Soljacic, Richard Gee, and JD Joannopoulos, Phys. Rev. Lett. 96, 013904 - Published 11 January 2006.)

Данный способ позволяет создавать мощные импульсы с высокой проникающей способностью и эффективно исследовать практически любые типы твердых материалов. Это техническое решение авторы рассматривают в качестве аналога.This method allows you to create powerful pulses with high penetrating power and effectively explore almost any type of solid material. The authors consider this technical solution as an analog.

Основными недостатками данного способа являются трудность создания высоких скоростей удара и частичное разрушение поверхностного слоя материала при мощном импульсном воздействии.The main disadvantages of this method are the difficulty of creating high impact speeds and the partial destruction of the surface layer of the material with a powerful pulse effect.

Известен также «МЕТОД ГЕНЕРАЦИИ ТГЦ ЧАСТОТЫ ИЗЛУЧЕНИЯ И ВОСПРИЯТИЯ ДЕФОРМАЦИОННЫХ ВОЛН БОЛЬШОЙ АМПЛИТУДЫ В ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ» (Патент US 20090173159 А1, Pub. No.: US 2009/0173159 Al, Jul. 9, 2009).Also known is the “THC GENERATION METHOD OF FREQUENCY RADIATION AND PERCEPTION OF LARGE AMPLITUDE DEFORMATION WAVES IN PIEZOELECTRIC MATERIALS” (Patent US 20090173159 A1, Pub. No .: US 2009/0173159 Al, Jul. 9.

Данный способ включает получение колебания деформации в первом материале, который находится в контакте со вторым пьезоэлектрическим гетерогенным материалом, в котором колебания деформации преобразуются в терагерцовое электромагнитное излучение. При этом получение колебаний деформации в первом материале включает в себя формирование ударной волны, при котором происходит частичное испарение части материала, контактирующего с лазерным излучением. В качестве материала, контактирующего с лазерным излучением, используется алюминий.This method includes obtaining strain oscillations in a first material that is in contact with a second piezoelectric heterogeneous material, in which strain oscillations are converted to terahertz electromagnetic radiation. In this case, obtaining strain oscillations in the first material includes the formation of a shock wave, in which partial evaporation of a part of the material in contact with the laser radiation occurs. As a material in contact with laser radiation, aluminum is used.

Вышеназванный способ позволяет создавать более мощные импульсы с меньшими затратами энергии. Это техническое решение авторы рассматривают в качестве прототипа.The above method allows you to create more powerful pulses with less energy. The authors consider this technical solution as a prototype.

Недостатками указанного технического решения является то, что при образовании ударной волны излучатель претерпевает пластические деформации, что приводит к нарушению его геометрии. Кроме этого, выбор в качестве генераторной среды алюминия приводит к уменьшению частотного диапазона сигналов вследствие его высокой теплопроводности. К тому же в измерительном приборе появляются ударные нагрузки, что ведет к нелинейному искажению сигнала.The disadvantages of this technical solution is that during the formation of a shock wave, the emitter undergoes plastic deformation, which leads to a violation of its geometry. In addition, the choice of aluminum as the generator medium leads to a decrease in the frequency range of the signals due to its high thermal conductivity. In addition, shock loads appear in the measuring device, which leads to non-linear signal distortion.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в стабильной генерации терагерцовых электромагнитных импульсов на основе линейного термоупругого эффекта при отсутствии фазовых переходов облучаемого вещества и, как следствие, повышении четкости изображения при использовании данных импульсов для диагностики структуры и свойств твердых материалов. Кроме того, технический результат предлагаемого решения состоит в повышении долговечности излучателя за счет отсутствия испарения части облучаемого материала.The technical result of the invention consists in the stable generation of terahertz electromagnetic pulses based on the linear thermoelastic effect in the absence of phase transitions of the irradiated substance and, as a result, increasing the clarity of the image when using these pulses to diagnose the structure and properties of solid materials. In addition, the technical result of the proposed solution is to increase the durability of the emitter due to the absence of evaporation of part of the irradiated material.

Технический результат достигается за счет получения акустических колебаний путем воздействия лазерным импульсом на пару материалов, один из которых, подвергаемый воздействию лазерного излучения, представляет собой пленку из металлического сплава, а второй материал является подложкой, служащей для преобразования получаемых ультразвуковых импульсов в терагерцовое электромагнитное излучение, толщину металлической пленки выбирают таким образом, чтобы поглощение лазерного излучения полностью происходило в ее приповерхностной зоне, а мощность и длительность лазерного импульса рассчитывают, исходя из недопущения испарения облучаемого вещества и образования в нем фазовых переходов.The technical result is achieved by obtaining acoustic vibrations by applying a laser pulse to a pair of materials, one of which, exposed to laser radiation, is a metal alloy film, and the second material is a substrate used to convert the resulting ultrasonic pulses into terahertz electromagnetic radiation, thickness the metal film is selected so that the absorption of laser radiation completely occurs in its surface zone, and the power and duration of the laser pulse are calculated based on the prevention of evaporation of the irradiated substance and the formation of phase transitions in it.

Кроме того, согласно предлагаемому способу при создании излучателя терагерцового излучения в качестве подложки используют ниобат лития, а в качестве материала, подвергаемого воздействию лазера, используют никель или хром. Причем толщина металлической пленки не превышает 100 нм, а шероховатость поверхности, на которую она наносится, не выше чем λ/30.In addition, according to the proposed method, when creating a terahertz radiation emitter, lithium niobate is used as a substrate, and nickel or chromium is used as the material exposed to the laser. Moreover, the thickness of the metal film does not exceed 100 nm, and the surface roughness on which it is applied is not higher than λ / 30.

Реализация предлагаемого способа показана на Фиг. 1 и Фиг. 2. Излучение 1 от работающего в импульсно-периодическом режиме лазера (на Фиг. 1 и Фиг. 2. не показан) поступает на пленку из металлического сплава 2, покрывающую подложку 3. При воздействии лазерного излучения 1 в пленке 2 происходит расширение нагретой области. Состав пленки, мощность и время воздействия излучения подбираются таким образом, что фазового перехода материала пленки 2 не происходит.The implementation of the proposed method is shown in FIG. 1 and FIG. 2. Radiation 1 from a laser operating in a pulsed-periodic mode (not shown in Fig. 1 and Fig. 2) enters the metal alloy film 2 covering the substrate 3. When the laser radiation 1 is exposed to the film 2, the heated region expands. The composition of the film, the power and time of exposure to radiation are selected so that the phase transition of the material of the film 2 does not occur.

Последующее расширение нагретой области металлической пленки 2 за счет линейного термоупругого эффекта приводит к генерации мощного короткого ультразвукового импульса 4. Данный импульс 4 распространяется в подложку 3, например, из ниобата лития, где за счет пьезоэффекта возникает широкополосный импульс электромагнитной волны 5.Subsequent expansion of the heated region of the metal film 2 due to the linear thermoelastic effect leads to the generation of a powerful short ultrasonic pulse 4. This pulse 4 propagates into the substrate 3, for example, from lithium niobate, where a wideband electromagnetic wave 5 pulse arises due to the piezoelectric effect.

Форма подложки 3 может иметь два варианта, отличающиеся направлением распространения электромагнитного импульса 6. В первом случае (Фиг. 1) сформированный электромагнитный импульс распространяется в том же направлении, что и ультразвуковой импульс 4. Во втором случае (Фиг. 2) электромагнитный импульс 5 отклоняется от направления образования ультразукового импульса 4 на 90°. В обоих случаях граница раздела 7 пленки 2 и подложки 3 имеют одни и те же характеристики, определяемые степенью шероховатости поверхности подложки 3.The shape of the substrate 3 can have two options, differing in the direction of propagation of the electromagnetic pulse 6. In the first case (Fig. 1), the generated electromagnetic pulse propagates in the same direction as the ultrasonic pulse 4. In the second case (Fig. 2), the electromagnetic pulse 5 is rejected from the direction of formation of the ultrasound pulse 4 to 90 °. In both cases, the interface 7 of the film 2 and the substrate 3 have the same characteristics determined by the degree of surface roughness of the substrate 3.

Данный тип волн проникает на большую глубину и позволяет исследовать структуры различных типов объектов. В случае, показанном на Фиг. 1, объект исследования 8 помещают между излучателем 9 и приемником 10, представляющим собой специальный терагерцовый спектрометр. В случае, показанном на Фиг. 2, излучатель 9 перемещают по поверхности исследуемого объекта 8.This type of wave penetrates to great depths and allows you to explore the structure of various types of objects. In the case shown in FIG. 1, the object of study 8 is placed between the emitter 9 and the receiver 10, which is a special terahertz spectrometer. In the case shown in FIG. 2, the emitter 9 is moved along the surface of the investigated object 8.

Глубина проникновения света имеет порядок L_a=а^-1=10 нм, излучение лазера полностью поглощается на расстоянии 3L_a=30 нм. Длина диффузии тепла за время лазерного воздействия

варьируется от 5 нм для никеля до 20 нм для серебра. Это означает, что за время действия лазерного импульса равномерно прогревается металлическая пленка толщиной не более 20 нм. Пространственная протяженность акустического импульса L_A=с₀τ₀ лежит в диапазоне от 8 нм до 15 нм.The light penetration depth is of the order of L _a = a ^-1 = 10 nm, the laser radiation is completely absorbed at a distance of 3L _a = 30 nm. Heat diffusion length during laser exposure

varies from 5 nm for nickel to 20 nm for silver. This means that during the duration of the laser pulse the metal film is uniformly heated up to a thickness of not more than 20 nm. The spatial extent of the acoustic pulse L _A = с ₀ τ ₀ lies in the range from 8 nm to 15 nm.

Таким образом шероховатость поверхности подложки не должна быть хуже λ/30, где λ - длина волны используемого лазерного излучения, а напыляемая пленка металла не должна превышать 60-100 нм. При энергии в импульсе порядка 100 мкДж и его длительности 1-3 пс с учетом того, что коэффициент отражения от поверхности металла может достигать 90%, поверхностная плотность поглощенной энергии имеет порядок w₀=0,5 Дж/м² при ширине оптического пучка, а=2 мм.Thus, the surface roughness of the substrate should not be worse than λ / 30, where λ is the wavelength of the used laser radiation, and the sprayed metal film should not exceed 60-100 nm. With a pulse energy of about 100 mJ and duration of 1-3 ps Given that reflectance from the metal surface may reach 90%, the surface density of the absorbed energy of the order of w ₀ = 0.5 J / m ^2, with an optical beam width, a = 2 mm.

В этом случае реализуется термоупругий режим воздействия, при котором поглощение оптического пучка происходит в приповерхностной зоне материала и отсутствуют фазовые переходы вещества. Исходя из этого толщина подложки будет оптимальной в диапазоне от 1-го до 3-х мм и ее точное значение может быть установлено опытным путем.In this case, a thermoelastic exposure regime is realized in which the absorption of the optical beam occurs in the surface zone of the material and there are no phase transitions of the substance. Based on this, the thickness of the substrate will be optimal in the range from 1 to 3 mm and its exact value can be established empirically.

Основные параметры металлов, которые могут быть использованы в качестве оптико-акустических генераторов приведены в таблице 1. Где λ - коэффициент теплопроводности, χ=λ/(ρ₀С_Р) - коэффициент диффузии тепла, T_m - температура плавления.The main parameters of metals that can be used as optical-acoustic generators are shown in table 1. Where λ is the thermal conductivity, χ = λ / (ρ ₀ С _Р ) is the heat diffusion coefficient, T _m is the melting temperature.

Известно, что амплитуда напряженности электрического поля определяется выражением E₀=dp₀/ε₀, где Е₀ - пьезомодуль, а e₀ - электрическая постоянная. Для ниобата лития d=6⋅10^-12Кл ~ /H - а ε₀=8,85⋅10^-12Кл/м⋅В. Оценочные значения р₀, Е₀ и приращение температуры ΔТ при поглощении лазерного импульса в металлической пленке приведены в таблице 2.

It is known that the amplitude of the electric field is determined by the expression E ₀ = dp ₀ / ε ₀ , where E ₀ is the piezoelectric module, and e ₀ is the electric constant. For lithium niobate, d = 6⋅10 ^-12 C ~ / H - and ε ₀ = 8.85⋅10 ^-12 C / m⋅V. The estimated values of p ₀ , E ₀ and the temperature increment ΔT upon absorption of a laser pulse in a metal film are shown in table 2.

Из приведенных данных видно, что использование алюминия в качестве генераторной среды неэффективно, поскольку температура его плавления существенно ниже, а коэффициент теплопроводности выше, чем у никеля или хрома. Использование пары никель / ниобат лития или хром / ниобат лития при соблюдении геометрических размеров элементов излучателя и качества поверхности подложки на границе раздела подложки и покрывающей ее металлической пленки позволяет получить электромагнитный импульс в частотном диапазоном от 0,1 ТГц до 2,5 ТГц и напряженностью электрического поля порядка 10⁷ В/м без фазового перехода части металлической пленки и ее испарения.It can be seen from the above data that the use of aluminum as a generator medium is inefficient, since its melting temperature is significantly lower and the thermal conductivity is higher than that of nickel or chromium. Using a pair of nickel / lithium niobate or chromium / lithium niobate, subject to the geometric dimensions of the emitter elements and the quality of the substrate surface at the interface between the substrate and the metal film covering it, allows you to obtain an electromagnetic pulse in the frequency range from 0.1 THz to 2.5 THz and electric strength fields of the order of 10 ⁷ V / m without phase transition of part of the metal film and its evaporation.

Таким образом все признаки, характеризующие предлагаемый способ, необходимы и достаточны для его осуществления и достижения заявляемого технического результата.Thus, all the signs characterizing the proposed method are necessary and sufficient for its implementation and the achievement of the claimed technical result.

Claims

1. A method for generating terahertz pulses based on the thermoelastic effect, including obtaining acoustic vibrations by applying a laser pulse to a pair of metals, one of which, when exposed to laser radiation, is a metal alloy film, and the second material is a substrate used to convert the resulting ultrasound pulses in electromagnetic radiation, characterized in that the thickness of the metal film is selected from the condition that the absorption of laser radiation is Strongly it occurs in its near-surface zone, and the power and duration of the laser pulse is calculated from the irradiated material to prevent evaporation and formation therein of the phase transitions.

2. The method according to p. 1, characterized in that when creating a pair of materials for the substrate using lithium niobate, and as the material exposed to the laser, use nickel or chromium, which is deposited on this substrate in contact with the object in the form of a metal film moreover, the surface roughness on which the metal film is applied is not higher than λ / 30, and the thickness of the metal film does not exceed 100 nm.