Пикосекундный ультразвук

Пикосекундный ультразвук — это тип ультразвука , в котором используется сверхвысокочастотный ультразвук, генерируемый сверхкороткими 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 исследования жидкостей . Этот метод также называют пикосекундным лазерным ультразвуком или лазерной пикосекундной акустикой .

Введение

Генерация и детектирование пикосекундных импульсов деформации в непрозрачной тонкой пленке ультракороткими оптическими импульсами. В этом примере оптический зондирующий импульс достигает поверхности пленки одновременно с возвращающимся импульсом деформации. Обычно измерения проводятся 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 при использовании оптических импульсов длительностью ~ 100 фс и энергией ~ 1 нДж, фокусируемых в пятно размером ~ 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 его можно обнаружить с помощью задержанного оптического зондирующего импульса по изменениям оптического отражения или (для достаточно тонких пленок) пропускания. Этот с временным разрешением метод для генерации и фотоупругого обнаружения когерентных пикосекундных акустических фононных импульсов был предложен Кристианом Томсеном и его коллегами в сотрудничестве между Университетом Брауна и Bell Laboratories в 1984 году.

Первоначальное развитие имело место в группе Хамфри Мариса в Университете Брауна и других местах в конце 1980-х годов. В начале 1990-х годов область применения метода была расширена в Nippon Steel Corp. за счет прямого измерения пикосекундных вибраций 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 генерация пикосекундных поперечных волн с использованием анизотропных материалов. или небольшие (~ 1 мкм) размеры оптических пятен. Акустические частоты до терагерцового диапазона в твердых телах. и до ~10 ГГц в жидкостях было сообщено.

Помимо теплового расширения, генерация за счет деформационного потенциала или пьезоэлектричества возможна . Пикосекундный ультразвук в настоящее время используется в качестве метода метрологии тонких пленок для зондирования пленок субмикронной толщины с глубинным нанометровым разрешением, что находит широкое применение в промышленности по обработке полупроводников . Пикосекундный ультразвук также применяется для измерения скорости звука внутри наноматериалов или для изучения физики фононов.

Генерация и обнаружение

Поколение

Поглощение падающего импульса оптической накачки создает локальное тепловое напряжение вблизи поверхности образца. Это напряжение вызывает импульс упругой деформации, который распространяется в образец. Точная глубина возникновения напряжения зависит, в частности, от используемого материала и длины волны оптической накачки. в металлах Например, и полупроводниках термическая диффузия и диффузия носителей за сверхкороткое время имеют тенденцию увеличивать глубину, которая первоначально нагревается в течение первых ~ 1 пс.

Акустические импульсы генерируются с временной длительностью, примерно 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 ~50 и 100 нм соответственно. Глубина диффузии определяет пространственную протяженность импульса деформации в направлении по толщине.

Основным механизмом генерации металлов является тепловое расширение, тогда как для полупроводников зачастую механизм потенциальной деформации. В пьезоэлектриках может доминировать обратный пьезоэлектрический эффект, возникающий в результате создания внутренних электрических полей , вызванных разделением зарядов .

Когда диаметр оптического пятна D , например D ~ 10 мкм, на поверхности упруго- изотропного и плоского образца много больше глубины первоначального прогрева, можно аппроксимировать акустическое поле, распространяющееся в твердое тело, одномерной задачей: при условии, что нельзя работать со слишком большой глубиной распространения деформации (~ D² /Λ = длина Рэлея , где Λ — длина волны звука). В этой конфигурации, первоначально предложенной для пикосекундного ультразвука, необходимо учитывать только импульсы продольной акустической деформации. Импульс деформации образует область продольной деформации, напоминающую блин, которая распространяется непосредственно в твердое тело от поверхности.

Для небольших размеров пятна, приближающихся к пределу оптической дифракции , например D ~ 1 мкм, может возникнуть необходимость учитывать трехмерный характер проблемы. В этом случае акустическое преобразование мод на поверхностях и границах раздела и акустическая дифракция играют важную роль, приводя к участию как сдвиговой, так и продольной поляризации. Импульс деформации разделяется на различные компоненты поляризации и распространяется в поперечном направлении (на расстояния > D² /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 констант или скорости звука . Сдвиговые волны также могут быть созданы за счет использования упруго-анизотропных твердых тел, разрезанных под косыми углами к осям кристалла . Это позволяет генерировать поперечные или квазипоперечные 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 распространения в несколько миллиметров. Они являются результатом тонкого баланса между акустической дисперсией и нелинейными эффектами.

Обнаружение

Импульсы деформации, возвращающиеся на поверхность из заглубленных границ раздела или других подповерхностных акустически неоднородных областей, обнаруживаются как серия эхо-сигналов. Например, импульсы деформации, распространяющиеся вперед и назад через тонкую пленку, создают серию затухающих эхо-сигналов, из которых можно определить, 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 нарушаются возвращающимися импульсами деформации (в пределах глубины оптического поглощения зондирующего света), что приводит к изменениям оптического отражения или пропускания. Измеренная форма временного эха является результатом пространственного интеграла, включающего как профиль оптического поглощения зондирующего света, так и пространственный профиль импульса деформации (см. ниже).

Обнаружение смещения поверхности также возможно, если регистрируется изменение оптической фазы. В этом случае форма эха, измеренная по изменению оптической фазы, пропорциональна пространственному интегралу распределения деформации (см. ниже). Обнаружение смещения поверхности было продемонстрировано с помощью сверхбыстрого отклонения оптического луча и с помощью интерферометрии .

Для однородного изотропного образца в вакууме с нормальным оптическим падением модуляция оптического амплитудного отражения ( r ) может быть выражена как

${\frac {\delta r}{r}}={\frac {4ik{\tilde {n}}}{1-{\tilde {n}}^{2}}}{\frac {d{\tilde {n}}}{d\eta }}\int _{0}^{\infty }\eta (z,t)e^{2i{\tilde {n}}kz}dz+2iku(t)$

где ${\tilde {n}}=n+i\kappa$ ( 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, $d{\tilde {n}}/d\eta$ – фотоупругая константа, z – глубина образца, t – время, u – смещение поверхности образца (в направлении + z ):

$u(t)=-\int _{0}^{\infty }\eta (z,t)dz$

Чтобы получить изменение оптической отражательной способности для интенсивности R, используют $\delta R/R=2{\rm {{Re}({\it {{\delta r/r})}}}}$, тогда как для получения изменения оптической фазы используют $\delta {\it {{\phi }={\rm {{Im}({\it {{\delta r/r})}}}}}}$.

Теория оптического обнаружения в многослойных образцах, включающая как движение границы раздела, так и фотоупругий эффект, в настоящее время хорошо развита. Было показано, что контроль состояния поляризации и угла падения зондирующего света полезен 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 к наноструктурам, включая субмикрометровые пленки, мультислои, квантовые ямы , полупроводниковые гетероструктуры и нанополости. Он также применяется для исследования механических свойств отдельной биологической клетки.

См. также

• Акустика
• УЗИ
• Фононы
• Солитон
• Волны
• Свет
• Спектроскопия с временным разрешением
• Стресс
• Напряжение
• Фотоэластичность
• Анизотропия