WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 27 |
В.И. Светцов, С.А. Смирнов КОРПУСКУЛЯРНО-ФОТОННЫ Е ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИИ Иваново 2002 Министерство образования Российской Федерации Ивановский государственный химико-технологический университет В.И. Светцов, С.А. Смирнов КОРПУСКУЛЯРНО-ФОТОННЫ Е ПРОЦЕССЫ И ТЕХНОЛОГИИ Учебное пособие Рекомендовано Учебно-методическим объединением по химикотехнологическому образованию в качестве учебного пособия для специальности 25.10.00 - Химическая технология материалов и изделий электронной техники Иваново 2002 1 УДК 621.382 Светцов В.И., Смирнов С.А. Корпускулярно-фотонные процессы и технологии: Учеб. пособие / Иван. гос. хим.-технол. ун-т.- Иваново, 2002.192 с. ISBN 5-230-01493-8 Рассмотрены физико-химические основы процессов корпускулярнофотонных технологий, типовые установки, конкретные технологические процессы и примеры их реализации.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся по специальностям «Материалы и компоненты твердотельной электроники» и «Химическая технология материалов и изделий электронной техники» Рис. 51. Табл.12. Библиогр.: 26 назв.

Печатается по решению редакционно-издательского совета Ивановского государственного химико-технологического университета.

Рецензенты: доктор химических наук В.В. Зайцев (Ивановский государственный университет); доктор технических наук С.В. Тарарыкин (Ивановский государственный энергетический университет) ISBN 5-230-01493-8 © Ивановский государственный химико–технологический университет, 2002 г 2 ПРЕДИСЛОВИЕ Учебное пособие построено на материале лекционного курса, читаемого авторами в Ивановском государственном химикотехнологическом университете на кафедре "Технология приборов и материалов электронной техники" студентам специальностей 20.01.00 - Материалы и компоненты твердотельной электроники и 25.10.00 - Химическая технология материалов и изделий электронной техники. Этот курс в расширенном виде читается так же магистрам, обучающимся по программам 55.07.13 - Физика, химия и технология поверхностей и межфазных границ и 55.16.11 - Физико-химические исследования новых материалов и процессов. Пособие может быть полезно и студентам других специальностей, связанных с использованием лазерных, электронных и ионных процессов и технологий, а так же инженерно-техническим работникам и преподавателям, желающим повысить свою квалификацию в данной области.

При подготовке лекционного курса использовались учебные пособия И.А. Аброяна, О.Г. Вендика, В.Ф. Титова, Ю.Н. Горина, а также монографии по отдельным разделам и периодическая литература, главным образом, обзоры по электронной технике.

При изложении материала отдельных глав рассмотрены физикохимические основы процессов, типовые установки, конкретные технологические процессы и примеры их реализации. Особое внимание уделено использованию лазерных, электронных и ионных процессов и технологий в электронной технике. Каждая глава сопровождается контрольными вопросами и набором заданий и задач для практических занятий и самостоятельной работы. Большинство заданий и задач направлены на обоснование и выбор условий проведения процесса и технологических режимов их реализации, что, на взгляд авторов, важно при практической инженерной работе. Использованный в пособии математический аппарат достаточен лишь для инженерных расчетов и аналитических решений частных случаев. Более детальные расчеты выполняются методами численного решения нестационарных уравнений на ПЭВМ. Для успешного усвоения дисциплины читателю необходимы знания общих курсов физики и химии, а также физической электроники.

Предлагаемое читателям пособие выпускается авторами впервые и, конечно, имеет недостатки. Авторы с благодарностью примут все пожелания и замечания читателей, направленные на их устранение.

Авторы выражают благодарность ряду студентов кафедры "Технология приборов и материалов электронной техники" Ивановского государственного химико-технологического университета за помощь в подготовке и оформлении рукописи и рецензентам работы за полезные замечания.

ВВЕДЕНИЕ Общеизвестно, что современные интенсивные технологии являются основой технического процесса. К ним относятся и технологии, основанные на использовании концентрированных потоков энергии - лазерные, электронные и электронно-лучевые, ионные и ионно-лучевые. Их применение позволяет получать совершенно новые эффекты и результаты, принципиально недостижимые при традиционных технологиях, или значительно повысить скорость и качество обработки. Принципиально важными особенностями этих технологий являются локальность и селективность вложения энергии при огромных плотностях мощности, достигающих 108 - 1012 Вт/см2, отсутствие механических контактов инструмента и изделия в процессе обработки, простота и широкие возможности управления энергией и размерами энергонесущего пучка, возможность полной автоматизации технологического процесса.

Применение этих технологий позволяет изменять форму и размеры обрабатываемых изделий, их механические, физические, химические, электрические, оптические, магнитные и другие свойства как в массе материала, так и на поверхности, в нанометровых слоях. Кроме того, на основе взаимодействия излучения и потоков ионов и электронов с веществом разработаны многие методы прецизионного анализа и контроля.

Лазерные, электронные и ионные процессы и технологии, зародившись, в основном в недрах электронной промышленности, в настоящее время широко применяются в электронике, приборостроении, машиностроении, металлургии, химии, медицине, текстильной и легкой промышленности и ряде других отраслей. Сдерживающими факторами в применении этих технологий традиционно считаются высокая стоимость технологического оборудования и сложность его обслуживания. Но, несмотря на это, интенсивные технологии при правильном их использовании, дают, как правило, высокий экономический эффект.



Необходимо отметить, что широкие возможности интенсивных технологий используются еще далеко не в полной мере. Многолетние наблюдения одного из авторов показали, что главным сдерживающим фактором является недостаток высококвалифицированных специалистов.

Один из создателей лазеров говорил, что "их применение будет ограничено только фантазией и изобретательностью инженеров...". Но для того, чтобы фантазировать и изобретать, нужна база, нужна глубокая научная и техническая подготовка в данной области. И если инженер, пытающийся использовать один из интенсивных технологических процессов, не знает его физических основ, не может спрогнозировать хотя бы качественно результат для конкретной технологической ситуации, то попытка скорей всего окажется неудачной. Более того, неудача может привести к отказу от дальнейших работ в этом направлении.

ГЛАВА 1. ФИЗИКА ЛАЗЕРОВ. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРЫ 1.1. ВВЕДЕНИЕ Лазеры - это принципиально новые источники оптического излучения.

В отличие от теплового излучения и люминесценции, излучение лазеров обладает высокой монохроматичностью, когерентностью, направленностью и высокой спектральной плотностью мощности.

Термин "Лазер" образован из полного английского названия: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что означает "усиление света с помощью вынужденного испускания излучения". Необходимо помнить, что термин "свет" означает в данном случае не только излучение в видимой области (0,38-0,77 мкм), но также в ультрафиолетовой (0,01 - 0,мкм) и инфракрасной (0,77 - 340 мкм) областях электромагнитных колебаний. В отечественной литературе наряду с термином "лазер" используется название "оптический квантовый генератор" или ОКГ.

Перспективы применения лазеров являются столь широкими, что трудно назвать область науки или техники, где лазеры не применяются или не будут применяться. По словам одного из создателей первых лазеров, когда будет решена задача управления лучом ОКГ и обеспечения приемлемого коэффициента полезного действия, их применение будет ограничено, в сущности, лишь воображением и изобретательностью инженеров.

Одной из наиболее обширных и непрерывно расширяющихся областей применения лазеров является технология. Лазерные технологии относятся к современным интенсивным технологиям, их использование позволяет получить качественно новые результаты, недостижимые традиционными методами, или резко ускорить процесс технологической обработки, повысить качество выпускаемой продукции.

1.2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ГЕНЕРАЦИИ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ Существует три возможных процесса взаимодействия квантовых систем и электромагнитного излучения, которые схематически показаны на рис.1.1.

n n n h h h m m m а в б Рис.1.1. Квантовые переходы при взаимодействии с фотоном:

а - спонтанный переход с испусканием фотона; б - вынужденный переход с поглощением фотона; в - вынужденный переход с испусканием фотона Рассмотрим переходы частицы из одного состояния в другое с выделением или поглощением энергии электромагнитного поля.

Возбуждённая частица в произвольный момент времени может самопроизвольно перейти в более низкое энергетическое состояние, излучив при этом квант света. Такое излучение называется спонтанным.

Скорость спонтанного перехода с уровня n на уровень m определяется выражением:

dN n = A N, (1.1) nm n dt где Nn - концентрация частиц на уровне n. Коэффициент Anm есть вероятность перехода или коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения, c-1. Величина, обратная Anm, называется спонтанным временем жизни. Значение коэффициента Эйнштейна для спонтанных переходов в оптическом диапазоне может изменяться от 108 с-1 для разрешенных переходов до 1 с-1 для запрещенных переходов.

Случайность спонтанных переходов приводит к тому, что различные атомы излучают независимо и несинхронно. Поэтому спонтанное излучение не направленно, не когерентно, не поляризовано и не монохроматично. Такое естественное излучение испускают все обычные источники света.

Другим оптическим процессом является поглощение излучения частицей, переходящей в результате этого в возбуждённое состояние.

Скорость поглощения:

dNm = -BmnP()Nm, (1.2) dt где Bmn - коэффициент Эйнштейна для вынужденного поглощения;

P() - спектральная плотность излучения; Nm - концентрация частиц на уровне m.

Однако эти два процесса не объясняют всех закономерностей взаимодействия излучения со средой. При взаимодействии возбуждённой частицы с фотоном возможен переход частицы в состояние с меньшей энергией - при этом излучается дополнительный фотон. Этот процесс носит название вынужденного или стимулированного излучения. Скорость этого процесса:

dN n = -BnmP()N, (1.3) n dt где Bnm - коэффициент Эйнштейна для вынужденного излучения; P() - спектральная плотность излучения; Nn - концентрация частиц на уровне n.

Произведение ВР() имеет размерность, обратную времени. Следует отметить, что Bnm = Bmn с точностью до постоянного множителя. Cвязь между коэффициентами спонтанного и вынужденного испускания определяется соотношением:

Anm 8h=. (1.4) Bnm cСтимулированное излучение является процессом, составляющим физическую основу работы ОКГ. Существует весьма интересная особенность стимулированного излучения - вторичный фотон неотличим от первичного, стимулирующего фотона. Оба фотона характеризуются одинаковыми параметрами: частотой, фазой, импульсом и поляризацией. В инверсной среде, используемой в ОКГ, стимулированное излучение становится процессом, который определяет механизм размножения фотонов.





Предположим, что на систему, содержащую частицы m и n, падает электромагнитная волна с частотой и со спектральной плотностью P().

При этом единицей объема среды в процессе вынужденного поглощения поглотится мощность, равная:

Wп = hBmnP()Nm. (1.5) В то же время в процессе вынужденного излучения выделится мощность:

Wизл = hBnmP()N. (1.6) n Разность этих мощностей представляет собой мощность излучения, вышедшую из активной среды:

Wизл - Wn = hBnmP()[N - N ]. (1.7) n m В уравнении (1.7) учтено, что Вmn = Вnm. Очевидно, что если Wизл больше Wп, то мощность волны будет увеличиваться по мере прохождения среды. В противном случае среда поглощает волну.

Таким образом, при выполнении условия Nn больше Nm, то есть при наличии в системе инверсной заселенности уровней, можно получить оптический квантовый усилитель света. Инверсия заселенностей является необходимым, но недостаточным условием для получения усиления в данной среде. Необходимо также, чтобы усиление за счет процессов вынужденного излучения превышало все возможные потери.

Рассмотрим подробнее вопрос о коэффициенте усиления системы.

Изменение интенсивности излучения при прохождении оптически активной среды описывается уравнением:

dI = -xvI dx, (1.8) v v представляющим собой закон Бугера в дифференциальной форме. Здесь xV - коэффициент поглощения. Если в рассматриваемой среде существует инверсная заселенность, то коэффициент поглощения меньше нуля, то есть волна не затухает, а усиливается. В этом случае о среде с инверсной заселенностью можно говорить как о среде с отрицательным коэффициентом поглощения.

Установим связь между коэффициентом поглощения и инверсной заселенностью уровней. Перепишем уравнение (1.8) в виде:

dI v xv =. (1.9) I dx v Очевидно, что смысл xV - это относительное приращение потока энергии на единице пути. Энергия, выделяемая в единице объема в единицу времени, определяется уравнением (1.9) и представляет собой производную интенсивности излучения по расстоянию. С учетом изложенного можно записать:

hBnm (N - N ) n m xv = -. (1.10) c Для лазерных сред отрицательный коэффициент поглощения получил название коэффициента усиления. Он непосредственно характеризует усилительные свойства среды.

При распространении волны в инверсной среде часть ее интенсивности теряется за счет различных потерь. Этот процесс также можно описать уравнением Бугера:

dI = -xпI dx, (1.11) v v где xп - коэффициент потерь. Учитывая потери в среде и усилительные ее свойства, окончательное уравнение изменения интенсивности волны можно представить в виде:

dI = (xv - xп )I dx. (1.12) v v Очевидно, что усиление будет иметь место при xV >> xп, то есть необходимо иметь некоторую критическую или пороговую инверсную заселенность, определяемую выражением:

hBnmNпор xп = ;

с Nпор = (N - N ). (1.13) n m Усилительные свойства среды можно улучшить, если использовать положительную обратную связь, то есть возвращать часть сигнала в активную среду, обеспечивая многократное прохождение его. При этом достигается гораздо большее усиление. Если усиление существенно перекрывает потери среды и системы обратной связи, то произойдет самовозбуждение усилителя, начнется генерация излучения.

Интегральное усиление сигнала в инверсной среде характеризуется коэффициентом усиления, представляющим отношение величины выходного сигнала к входному:

Pвых K =. (1.14) Pвх В случае, когда усиление значительно, указывают коэффициент усиления в децибелах:

Pвых K = 10lg( ). (1.15) Pвх Мы рассмотрели влияние инверсной среды на характеристики проходящего излучения. Но изменения происходят и в инверсной среде.

Увеличение плотности излучения в среде вызовет уменьшение плотности инверсии, так как баланс процессов изменится в сторону обеднения верхнего уровня и дополнительного заселения нижнего уровня. Этот процесс называется насыщением усиления и определяет нелинейный характер усиления излучения инверсной средой.

В реальных лазерных системах при однократном прохождении луча через инверсную систему достигается весьма небольшое усиление. Поэтому принимаются меры для обеспечения многократного прохождения пучка через активную среду. Это достигается использованием в ОКГ оптического резонатора. Простейшим видом резонатора является система из двух зеркал, обращённых друг к другу отражающими поверхностями. Для вывода из резонатора полезного излучения отражающие поверхности делаются либо частично отражающими, либо одна полностью, а другая частично отражающей.

1.3. УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ ЛАЗЕРОВ Общая схема оптического квантового генератора (лазера) приведена на рис.1.2. Необходимыми элементами любого лазера являются:

1) рабочее вещество, в котором может быть осуществлена инверсия (активная среда);

2) устройство, в котором используется какое-либо физическое воздействие на рабочее вещество, позволяющее осуществить инверсию населенности (система накачки);

3) элемент, при помощи которого осуществляется интенсивное взаимодействие излучения с веществом и происходит отбор энергии от возбуждённых молекул (оптический резонатор);

4) устройство, обеспечивающее вывод энергии;

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 27 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.