Пикосекундный ультразвук - Picosecond ultrasonics

Пикосекундный ультразвук - это тип ультразвука, в котором используется ультразвук сверхвысокой частоты, генерируемый ультракороткими световыми импульсами. Это неразрушающий метод, при котором пикосекундные акустические импульсы проникают в тонкие пленки или наноструктуры, чтобы выявить внутренние особенности, такие как толщина пленки, а также трещины , расслоения и пустоты. Его также можно использовать для измерения жидкостей . Этот метод также называют пикосекундным лазерным ультразвуком или пикосекундной лазерной акустикой .

Введение

Генерация и регистрация пикосекундных импульсов деформации в непрозрачной тонкой пленке ультракороткими оптическими импульсами. В этом примере оптический пробный импульс достигает поверхности пленки одновременно с возвращающимся импульсом деформации. Как правило, измерения выполняются путем изменения времени прихода оптического зондирующего импульса. Тепловое расширение поверхности не учитывается. Например, в случае алюминиевой пленки импульс деформации будет иметь типичную частоту и полосу пропускания ~ 100 ГГц, длительность ~ 10 пс, длину волны ~ 100 нм и амплитуду деформации ~ 10 -4, когда с помощью оптических импульсов длительностью ~ 100 фс и энергии ~ 1 нДж, сфокусированных в пятно ~ 50 мкм на поверхности образца.

Когда ультракороткий световой импульс , известный как импульс накачки , фокусируется на тонкой непрозрачной пленке на подложке, оптическое поглощение приводит к тепловому расширению, которое запускает импульс упругой деформации . Этот импульс деформации в основном состоит из продольных акустических фононов, которые распространяются непосредственно в пленку в виде когерентного импульса.

После акустического отражения от границы раздела пленка-подложка импульс деформации возвращается на поверхность пленки, где он может быть обнаружен с помощью оптического зондирующего импульса с задержкой через оптическое отражение или (для достаточно тонких пленок) изменение коэффициента пропускания. Этот метод с временным разрешением для генерации и фотоупругого обнаружения когерентных пикосекундных импульсов акустических фононов был предложен Кристианом Томсеном и его коллегами в сотрудничестве между Университетом Брауна и Bell Laboratories в 1984 году.

Первоначальная разработка происходила в группе Хамфри Мариса в Университете Брауна и в других местах в конце 1980-х годов. В начале 1990-х годов этот метод был расширен в Nippon Steel Corp. за счет прямого измерения пикосекундных колебаний поверхности пленки, вызванных возвращающимися импульсами деформации, что во многих случаях привело к повышению чувствительности обнаружения. Достижения после 2000 года включают генерацию пикосекундных акустических солитонов за счет использования миллиметровых расстояний распространения и генерацию пикосекундных поперечных волн за счет использования анизотропных материалов или небольших (~ 1 мкм) оптических пятен. Сообщалось об акустических частотах до терагерцового диапазона в твердых телах и до ~ 10 ГГц в жидкостях.

Помимо теплового расширения возможна генерация за счет потенциала деформации или за счет пьезоэлектричества . Пикосекундный ультразвук в настоящее время используется в качестве метрологического метода тонких пленок для зондирования пленок субмикрометровой толщины с нанометровым разрешением по глубине, что находит широкое применение в промышленности обработки полупроводников .

Генерация и обнаружение

Поколение

Поглощение падающего импульса оптической накачки создает локальное тепловое напряжение у поверхности образца. Это напряжение запускает импульс упругой деформации, который распространяется в образец. Точная глубина возникновения напряжения зависит, в частности, от материала и длины волны оптической накачки. В металлах и полупроводниках, например, термическая диффузия и диффузия носителей в ультракоротком масштабе времени имеют тенденцию к увеличению глубины, на которой первоначально происходит нагрев в течение первых ~ 1 пс.

Акустические импульсы генерируются с временной продолжительностью, приблизительно равной времени прохождения звука через эту первоначально нагретую глубину, обычно превышающую глубину оптического поглощения . Например, глубина оптического поглощения в Al и GaAs составляет ~ 10 нм для синего света, а глубина диффузии электронов составляет ~ 50 и 100 нм соответственно. Глубина диффузии определяет пространственную протяженность импульса деформации в направлении по толщине.

Основным механизмом генерации для металлов является тепловое расширение, тогда как для полупроводников это часто механизм потенциала деформации. В пьезоэлектрических материалах может преобладать обратный пьезоэлектрический эффект, возникающий из-за создания внутренних электрических полей, индуцированных разделением зарядов .

Когда диаметр оптического пятна D , например D ~ 10 мкм, на поверхности упруго изотропного плоского образца намного больше, чем первоначально нагретая глубина, можно аппроксимировать акустическое поле, распространяющееся в твердое тело, с помощью одномерной задачи: при условии, что не работают со слишком большой глубиной распространения деформации (~ D ² / Λ = длина Рэлея , где Λ - длина акустической волны). В этой конфигурации, первоначально предложенной для пикосекундного ультразвука, необходимо учитывать только импульсы продольной акустической деформации. Импульс деформации формирует блинчатую область продольной деформации, которая распространяется прямо в твердое тело от поверхности.

Для небольших размеров пятна, приближающихся к пределу оптической дифракции , например D ~ 1 мкм, может потребоваться рассмотреть трехмерный характер проблемы. В этом случае преобразование акустических мод на поверхностях и границах раздела и акустическая дифракция играют важную роль, что приводит к вовлечению как сдвиговой, так и продольной поляризации. Импульс деформации разделяется на разные поляризационные компоненты и распространяется по горизонтали (на расстояния> D ² / Λ) по мере распространения вниз в образец, что приводит к более сложному трехмерному распределению деформации.

Использование как сдвиговых, так и продольных импульсов выгодно для измерения упругих постоянных или скорости звука . Сдвиговые волны также могут быть созданы за счет использования упругоанизотропных твердых тел, разрезаемых под косым углом к осям кристалла . Это позволяет генерировать поперечные или квазисдвиговые волны с большой амплитудой в направлении по толщине.

Также возможно генерировать импульсы деформации, форма которых не меняется при распространении. Эти так называемые акустические солитоны были продемонстрированы при низких температурах на расстояниях в несколько миллиметров. Они являются результатом тонкого баланса между акустической дисперсией и нелинейными эффектами.

Обнаружение

Импульсы деформации, возвращающиеся к поверхности из скрытых границ раздела или других подповерхностных акустически неоднородных областей, обнаруживаются как серия эхо-сигналов. Например, импульсы деформации, распространяющиеся вперед и назад через тонкую пленку, создают затухающую серию эхо-сигналов, из которых можно получить, в частности, толщину пленки, затухание ультразвука или дисперсию ультразвука.

Оригинальный механизм обнаружения, используемый в пикосекундном ультразвуке, основан на фотоупругом эффекте. Показатель преломления и коэффициент экстинкции вблизи поверхности твердого тела возмущения возвращающихся импульсами деформации ( в пределах оптической глубины поглощения зондирующего света), что приводит к изменению оптических отражательной способности или передачи. Измеренная временная форма эхо-сигнала является результатом пространственного интеграла, включающего как профиль оптического поглощения зондирующего света, так и пространственный профиль импульса деформации (см. Ниже).

Обнаружение смещения поверхности также возможно при регистрации изменения оптической фазы. В этом случае форма эхо-сигнала при измерении через изменение оптической фазы пропорциональна пространственному интегралу распределения деформации (см. Ниже). Обнаружение смещения поверхности было продемонстрировано с помощью сверхбыстрого отклонения оптического луча и интерферометрии .

Для однородного изотропного образца в вакууме с нормальным оптическим падением модуляция оптической амплитудной отражательной способности ( r ) может быть выражена как

где ( n - показатель преломления и κ - коэффициент экстинкции) - комплексный показатель преломления зондирующего света в образце, k - волновое число зондирующего света в вакууме, η ( z , t ) - пространственно-временное изменение продольной деформации, - фотоупругая постоянная, z - глубина в образце, t - время, а u - смещение поверхности образца (в направлении + z ):

Чтобы получить изменение оптической отражательной способности для интенсивности R, используется , тогда как для получения изменения оптической фазы используется .

Теория оптического детектирования в многослойных образцах, включая движение границы раздела и фотоупругий эффект, в настоящее время хорошо развита. Было показано, что управление состоянием поляризации и углом падения зондирующего света полезно для обнаружения поперечных акустических волн.

Приложения и будущие задачи

Пикосекундный ультразвук успешно применяется для анализа различных материалов, как твердых, так и жидких. Его все чаще применяют для наноструктур, включая субмикрометровые пленки, многослойные слои, квантовые ямы , полупроводниковые гетероструктуры и нанополости. Он также применяется для исследования механических свойств отдельной биологической клетки.

Смотрите также

Ссылки

внешние ссылки