Лазерный микроанализатор и способ анализа материалов с помощью импульсной лазерной спектроскопии

Изобретение относится к области оптики. Изобретение содержит импульсный лазер для формирования плазмы, средства для фокусирования лазерного излучения на поверхности материала объекта и устройство для регистрации спектра. Длительность импульса лазера выбрана в диапазоне 5-5000 пикосекунд с плотностью мощности излучения, равной или превышающей пороговый уровень пробоя материала. Технический результат - возможность послойного анализа при неразрушающем контроле элементного состава материала за счет использования маломощных пикосекундных лазерных импульсов. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Изобретение относится к области оптики и может быть использовано в устройствах для спектрального анализа химического состава вещества.

Известно устройство для элементного анализа, включающее импульсный лазер для создания плазмы, средства для фокусирования излучения лазера на объекте, средства для спектрального анализа плазмы, средства для определения элементного состава объекта и средства для перемещения объекта (WO 0133202, G01N 21/71, опубл. 2001-05-10).

Также известно устройство, которое содержит твердотельный импульсно-периодический лазер с модуляцией добротности, систему регулирования и стабилизации энергии излучения лазера, фокусирующую систему, спектрограф и устройство регистрации. Система регулирования и стабилизации энергии состоит из блока измерения и блока управления и позволяет автоматически поддерживать энергию излучения лазера на заданном уровне, соответствующем энергии возбуждения спектра излучения исследуемого образца. Длительность импульса в данном решении порядка 10 наносекунд, а плотность мощности 10⁹-10¹² Вт/см² (патент РФ №2059210, G01J 3/00, опубл. 1996.04.27).

Недостатком этих устройств является то, что воздействие на вещество является очень высокоэнергетичным, что приводит к заметному разрушению объекта, а также именно это обстоятельство не допускает использования этого устройства для послойного анализа объектов, содержащих разные вещества, с высоким разрешением.

Известны способ и устройство для анализа материалов посредством лазерно-индуцированной плазменной спектроскопии. Устройство содержит мощные импульсные лазеры, лучи которых фокусируются на исследуемом материале, при этом 2 коллинеарных лазера создают 2 импульса - ультрафиолетовый и в ближней инфракрасной области. Первый лазерный импульс длительностью порядка 10 наносекунд испаряет малый объем с поверхности материала и создает плазму, которая дополнительно возбуждается вторым лазерным импульсом. Оптическое излучение анализируется с помощью оптического спектрометра (патент США 6008897, G01N 21/63, опубл. 2000-07-19).

Так как энергия лазерного импульса в этом устройстве также сравнительно велика, то это снижает пространственное разрешение анализатора и ограничивает возможности послойного анализа материала.

В основу изобретения положена задача создания лазерного микроанализатора и способа анализа материалов с помощью импульсной лазерной спектроскопии, в котором за счет использования маломощных пикосекундных лазерных импульсов для лазерного пробоя материала объекта возможен послойный анализ материала с высоким пространственным разрешением, обеспечивающий практически неразрушающий анализ элементного состава материала.

Вышеуказанный технический результат обеспечивается тем, что в лазерном микроанализаторе, содержащем импульсный лазер для формирования плазмы, средства для фокусирования лазерного излучения на поверхности материала объекта, устройство для регистрации спектра, длительность импульса лазера выбрана в диапазоне 5-5000 пикосекунд с плотностью мощности излучения, равной или превышающей пороговый уровень пробоя материала.

В состав устройства может быть включен микроскоп. Объект может быть размещен на устройстве пространственного сканирования и предпочтительно освещен монохроматически. В качестве устройства для регистрации спектра выбран многоканальный спектрометр. Многоканальный спектрометр снабжен матричным устройством для регистрации спектра. В зоне объекта могут быть установлены средства для подачи инертного газа в зону формирования плазмы, а внутрь многоканального спектрофотометра введен инертный газ. Между областью формирования плазмы и многоканальным спектрометром установлен световод, предпочтительно кварцевый.

В способе анализа материалов с помощью импульсной лазерной спектроскопии, включающем фокусировку лазерного излучения на поверхности исследуемого объекта, создание плазмы с помощью лазерного импульса, исследование плазмы с помощью спектрального прибора, используют импульс лазера длительностью от 5 до 5000 пикосекунд, при этом выбирают плотность мощности излучения, равную или превышающую пороговый уровень пробоя материала.

Между моментом создания плазмы и моментом регистрации спектра можно ввести регулируемую задержку. Для осуществления послойного анализа объекта дополнительно фокусируют излучение лазера на поверхности, образованной в результате удаления предыдущего слоя; осуществляют анализ элементного состава по спектрам, при этом спектральный диапазон регистрирующего устройства выбирают в диапазоне от ультрафиолетовой до инфракрасной части спектра. В способе предусмотрена возможность анализа химических связей объекта. С учетом результата воздействия предыдущего импульса регулируют значение мощности последующего импульса.

Устранение недостатков, присущих аналогу и прототипу, обеспечивается переходом к более короткому импульсу. Если в аналоге и прототипе механизм пробоотбора материала - абляция, то в нашем случае это более сложное явление типа пробоя на поверхности материала. Выбор параметров импульса ответственен за включение этих других механизмов, которые в конечном результате и определяют большее послойное и пространственное разрешение метода практически без разрушения материала. Послойный анализ объекта обеспечивается наличием системы пространственного сканирования объекта и системы фокусировки излучения лазера на поверхности, образованной в результате удаления предыдущего анализируемого слоя. Многоканальный спектрометр снабжен матричным устройством для регистрации спектров; для расширения возможностей прибора, а именно обеспечения его работы в области ультрафиолетовой части спектра и защиты объекта от химического взаимодействия с окружающим воздухом, в зону объекта организована подача инертного газа или другой защитной среды, а внутрь многоканального спектрометра также подают инертный газ. Наличие регулируемой задержки и временного окна регистрации также способствует расширению динамического диапазона устройства.

Наличие микроскопа с видеокамерой обеспечивает возможность проведения микроанализа с высокой пространственной разрешающей способностью. Устройство для пространственного сканирования необходимо для точной установки объекта при его пространственной, в том числе и послойной, обработке. Монохроматическое освещение может быть использовано для повышения контрастности изображения вследствие отсутствия хроматических аберраций.

Изобретение поясняется фиг.1, на которой показана блок-схема устройства. На фиг.2 показана спектрограмма, полученная для гетероструктур Ga на поверхности Al₂О₃. На фиг.3 приведено изображение этой структуры после проведения анализа. На фиг.4 показан результат послойного элементного анализа Na на структурах Si.

Сканирующий лазерный микроанализатор содержит источник возбуждения спектра исследуемого вещества - импульсный твердотельный лазер 1, блок регистрации, включающий микроскоп 2 с видеокамерой 3 и объективом 4, частично прозрачными зеркалами 5, многоканальный спектрофотометр 9 с регистрирующим излучение матричным устройством, устройство для 3-координатного сканирования объекта 7, устройство для монохроматической подсветки 6 объекта 10, персональный компьютер 11. Излучение плазмы направляется через световод 8 в многоканальный спектрофотометр 9.

Сканирующий лазерный микроанализатор работает следующим образом.

Перед включением лазера 1 объект 10 размещают на устройстве пространственного сканирования 8, обеспечивая его подсветку с помощью устройства 6 с монохроматическим источником, например, синим диодом. Излучение лазера 1 фокусируют с помощью объектива 4 на поверхности объекта 10. После включения лазера 1 и создания плазмы излучение плазмы направляют через световод 8 в многоканальный спектрофотометр 9, снабженный регистрирующей диодной матрицей. На экран компьютера выводится спектрограмма. Изображение образца, создаваемое микроскопом 2, записывается с помощью видеокамеры 3, работающей в режиме реального времени.

Между моментом создания плазмы и моментом регистрации спектра может быть введена регулируемая задержка для обеспечения оптимального соотношения сигнала к шуму. При послойном анализе объекта дополнительно фокусируют излучение лазера 1 на поверхности объекта 10, образованной уже снятым слоем. Анализ элементного состава по спектрам и анализ химических связей объекта может быть осуществлен в спектральном диапазоне регистрирующего устройства - в области от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной части спектра, что также обеспечивается выбранными параметрами.. Расширение области регистрации многоканального спектрофотометра 5 до ультрафиолетовой части спектра обеспечивается путем подачи инертного газа в область объекта 10, а также внутрь спектрофотометра 5. Для увеличения разрешающей способности устройства оператор может, с учетом результата воздействия предыдущего импульса, отрегулировать значение мощности последующего импульса.

Пояснить выбранный диапазон длительностей импульса можно следующим образом. Механизмы возникновения лазерного пробоя в диэлектриках подробно изучались в последнее десятилетие в связи с развитием фемтосекундной лазерной техники. В работе As-Chun Tien at al (Phys. Rev. Letters, 1999, v.82, N.19, pp.3883-3886) исследован вклад различных механизмов ионизации в возникновение лазерного пробоя в зависимости от длительности лазерного импульса в диапазоне от сотен пикосекунд до десятков фемтосекунд.

Пробой в прозрачных средах связывается с быстрым нарастанием плотности электронов в зоне проводимости до критического уровня, необходимого для возникновения сильного поглощения лазерного излучения возникающей плазмой. В результате разрушение среды происходит под действием образующейся ударной волны в плазме. Исходя из приведенных в статье графиков пороговой плотности энергии пробоя как функции длительности импульса можно рассматривать механизм инициирования в используемом нами диапазоне около 5 пс следующим образом. В зоне проводимости твердых тел благодаря наличию примесей всегда находится некоторое количество свободных электронов. Под действием очень сильного электрического поля лазерной волны порядка сотен МВ/см происходит ускорение электронов до энергии, достаточной для ударной ионизации атомов решетки. В результате развивается электронная лавина, которая быстро достигает критической плотности. Верхний предел диапазона длительностей импульсов определяется из соображений наименьшего разрушения материала образца и составляет 5 нс.

Использование вышеописанного механизма пробоя для спектрального анализа химического состава веществ позволяет проводить этот анализ практически без разрушения образцов.

На фиг.2 приведен пример спектрограммы, полученной для гетероструктур Ga на поверхности Al₂О₃. На фиг.3 приведено изображение этой структуры после проведения анализа. На фиг.4 приведены результаты послойного элементного анализа Na на структурах Si.

1. Лазерный микроанализатор, содержащий импульсный лазер для формирования плазмы, средства для фокусирования лазерного излучения на поверхности материала объекта, устройство для регистрации спектра, отличающийся тем, что длительность импульса лазера выбрана в диапазоне от 5 до 5000 пс с плотностью мощности излучения, равной или превышающей пороговый уровень пробоя материала.

2. Лазерный микроанализатор по п.1, отличающийся тем, что в состав устройства включен микроскоп.

3. Лазерный микроанализатор по п.1, отличающийся тем, что объект размещен на устройстве пространственного сканирования.

4. Лазерный микроанализатор по п.1, отличающийся тем, что объект предпочтительно освещен монохроматически.

5. Лазерный микроанализатор по п.1, отличающийся тем, что в качестве устройства для регистрации спектра выбран многоканальный спектрометр.

6. Лазерный микроанализатор по п.5, отличающийся тем, что многоканальный спектрометр снабжен матричным устройством для регистрации спектра.

7. Лазерный микроанализатор по п.1, отличающийся тем, что в зоне объекта установлены средства для подачи инертного газа в зону формирования плазмы.

8. Лазерный микроанализатор по п.1, отличающийся тем, что в многоканальный спектрометр введен инертный газ.

9. Лазерный микроанализатор по п.1, отличающийся тем, что между областью формирования плазмы и многоканальным спектрометром установлен световод.

10. Лазерный микроанализатор по п.9, отличающийся тем, что выбран кварцевый световод.

11. Способ анализа материалов с помощью импульсной лазерной спектроскопии, включающий фокусировку лазерного излучения на поверхности исследуемого объекта, создание плазмы с помощью лазерного импульса, исследование плазмы с помощью спектрального прибора, отличающийся тем, что используют импульс лазера длительностью от 5 до 5000 пс, при этом выбирают плотность мощности излучения, равную или превышающую пороговый уровень пробоя материала.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что между моментом создания плазмы и моментом регистрации спектра вводят регулируемую задержку от 0 до 100 мкс и осуществляют регистрацию спектра во временном окне от 1 нс до 10 мс.

13. Способ по п.11, отличающийся тем, что для осуществления послойного анализа объекта дополнительно фокусируют излучение лазера на поверхности, образованной уже снятым слоем.

14. Способ по п.11, отличающийся тем, что осуществляют анализ элементного состава по спектрам, при этом спектральный диапазон регистрирующего устройства выбирают в области от ультрафиолетовой до ближней инфракрасной части спектра.

15. Способ по п.11, отличающийся тем, что осуществляют анализ химических связей объекта.

16. Способ по п.11, отличающийся тем, что с учетом результата воздействия предыдущего импульса регулируют значение мощности последующего импульса.