СПОСОБ ОПТИЧЕСКОЙ РЕГИСТРАЦИИ БЫСТРОПРОТЕКАЮЩИХ ПРОЦЕССОВ
METHOD OF OPTICAL RECORDING OF HIGH-SPEED PROCESSES

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для регистрации быстропротекающих процессов в функциональном материале. Под функциональным материалом в рамках настоящего изобретения понимаются компоненты и элементы электронных и оптических интегральных схем, сегнетоэлектрический, магнитный, мультиферроидный, пьезоэлектрический, магнитострикционный или любой другой материал.
Известны способы регистрации импульсных электрических сигналов в интегральной схеме за счет возбуждения электрическим полем оптического свечения (US 4680635, US 4811090, US 7224828, RU 2000126852). Недостатком данных способов является невозможность регистрировать процессы, которые не вызывают свечения исследуемого объекта.
Известны способы регистрации параметров самого оптического импульса с временным разрешением, меньшим длительности импульса (<20-100 фс) (RU 2305259). Недостатком данных способов является отсутствие информации об исследуемом объекте.
Известны способы исследования фотовозбужденных процессов с временным разрешением до единиц фемтосекунд с использованием фотохронографов (streak camera). Недостатком данных способов является невозможность регистрировать процессы, которые не вызывают свечения исследуемого объекта.
Известна методика оптической пробы-накачки исследования фотовозбужденных процессов с временным разрешением, равным длительности лазерного импульса (20-100 фс), основанных на эффектах фотолюминесценции (US 5814820), фотомодулированного отражения (US 7116424) и пропускания (US 7 002 149).
Известен способ оптический регистрации быстропротекающих процессов в магнитном поле, основанный на возбуждении импульсного магнитного поля с длительностью импульса в диапазоне нескольких пикосекунд в полосковом волноводе при генерации тока в фотопроводящем переключателе под действием светового импульса накачки в схеме пробы-накачки [Rasing et al, Nature 418, 509 (2002), J. Magn. Soc. Jpn 25, 192 (2001)]. Недостатком данного способа является невозможность регистрации процессов, возбуждаемых другими типами воздействий, в том числе импульсным электрическим полем. Данное решение принято в качестве прототипа для заявленного способа. Достигаемый настоящим изобретением технический результат заключается в повышении временного разрешения вплоть до десятков фемтосекунд регистрации процессов, происходящих под действием импульсных внешних воздействий, в том числе процессов, происходящих в элементах интегральных схем или иных функциональных материалах под действием импульсного электрического поля.
л
ис
ис
л
л
ис
л
Указанный технический результат достигается тем, что способ оптический регистрации быстропротекающих процессов, преимущественно в элементах интегральных схемах и/или сегнетоэлектрических материалах или иных функциональных материалов, характеризуется тем, что ультракороткие лазерные импульсы длительностью Δt, равной 20-100 фс, направляют на исследуемый объект, в котором синхронно с ультракороткими лазерными импульсами сформирован подаваемыми от внешнего источника возбуждающими импульсами повторяющийся исследуемый процесс в элементах интегральных схемах и/или сегнетоэлектрических материалах, длительность которого Δt больше длительности лазерного импульса (Δt>Δt) и меньше обратной частоты повторения ультракоротких лазерных импульсов лазера f (Δt<1/f,), при этом указанные лазерные импульсы пропускают через оптическую линию задержки, а затем ими сканирует возбуждающий импульс в повторяющимся исследуемом процессе, а регистрацию параметров процесса осуществляют по световому импульсу, отраженному от элемента интегральной схемы и/или сегнетоэлектрического материала или прошедшему через элемент интегральной схемы и/или сегнетоэлектрический материал на частоте излучения ω или на удвоенной частоте излучения 2ω ультракоротких лазерных импульсов.
При этом для регистрации параметров процесса в различных точках возбуждающего импульса осуществляют сканирование ультракоротким лазерным импульсом вдоль возбуждающего импульса через оптическую линию задержки, выполненную с функцией изменения времени задержки. Таким образом, проводится временное зондирование исследуемого процесса с разрешением, существенно (на несколько порядков) превышающем длительность воздействия; путем установки определенного времени задержки можно исследовать особенности процесса в любой момент внешнего импульсного воздействия (например, в начальный, или в конечный, или в срединный или любой другой).
В качестве подаваемого от внешнего источника возбуждающего импульса может быть использован импульс электрического поля, импульс магнитного поля, акустический (механический) импульс и любой другой, приводящий к изменению коэффициента отражения или пропускания на основной или половинной длине волны лазерного импульса (появления свечения (флуоресценции) исследуемым материалом не требуется), при этом изменение коэффициентов отражения или пропускания связано и является мерой изменения функционального параметра исследуемого материала или элемента при внешнем импульсном воздействии.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящее изобретение поясняется конкретными примерами, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения приведенной совокупностью признаков требуемого технического результата.
На фиг.1 - эпюры импульсов возбуждающего (например, напряжения с генератора), лазерного зондирующего и оптического регистрируемого;
фиг 2 - блок-схема установки;
фиг.3 - переключение поляризации в пленке БСТ в схеме оптико-задающего стробирования.
л
л
ис
ис
л
л
ис
л
л
л
Сущность способа заключается в том, что ультракороткий лазерный импульс длительностью Δt (Δt=20-100 фс) направляется на исследуемый объект (фиг.1) (компоненты и элементы электронных и оптических интегральных схем, сегнетоэлектрический, магнитный, мультиферроидный, пьезоэлектрический, магнитострикционный или любой другой материал), в котором синхронизованно возбуждается повторяющийся исследуемый процесс (например, электрическим полем возбуждается свечение полупроводника в интегральной схеме или поляризация сегнетоэлектрика), длительность которого ∆t больше, чем длительность лазерного импульса (Δt>∆t) и меньше обратной частоты повторения лазера f (Δt<1/f), f может стремиться к бесконечности, то есть импульс может быть одиночным), при этом лазерный импульс сканирует возбуждающий импульс посредством оптической линии задержки. Этим достигается существенное увеличение временного разрешения диагностической методики, которое равно длительности применяемого лазерного импульса f. В таком исполнении становится возможным сканировать процесс в интегральной схеме, попадая в диапазон самого процесса. Использование оптической линии задержки позволяет настраивать момент попадания лазерного импульса не только в сам процесс, но и перемещаться лазерному импульсу по диаграмме процесса за счет того, что длительность импульса существенно меньше длительности самого процесса, а оптическая линия задержки, по сути, является устройством регулирования момента попадания лазерного импульса в процесс. Таким образом, проводится временное зондирование исследуемого процесса с разрешением, существенно (на несколько порядков) превышающим длительность воздействия; путем установки определенного времени задержки можно исследовать особенности процесса в любой момент внешнего импульсного воздействия (например, в начальный, или в конечный, или в срединный или любой другой).
В данном способе в качестве зондирующего используется излучение импульсного лазера с длительностью импульса от 50 фс. Лазерный импульс синхронизован с внешним воздействием, например, импульсом электрического поля. В качестве регистрируемого используется световой импульс, отраженный от образца или прошедший через образец на частоте зондирующего излучения ω или на удвоенной частоте зондирующего излучения 2ω. В первом случае (на частоте ω) регистрация производится при помощи фотодиода (в том числе при однократном импульсе), при этом быстродействие диода не влияет на результат зондирования. Во втором случае (на частоте 2ω) регистрация производится при помощи фотоумножителя (при слабых сигналах в режиме счета фотонов) при многократном повторении воздействия, при этом быстродействие фотоумножителя не влияет на результат зондирования. Регистрация производится в различных точках импульса воздействия с путем сканирования зондирующего лазерного импульса вдоль импульса воздействия посредством оптической линии задержки.
В качестве подаваемого от внешнего источника возбуждающего импульса может быть использован импульс электрического поля, импульс магнитного поля, акустический (механический) импульс и любой другой, приводящий к изменению коэффициента отражения или пропускания на основной или половинной длине волны лазерного импульса (появления свечения (флуоресценции) исследуемым материалом не требуется), при этом изменение коэффициентов отражения или пропускания связано является мерой изменения функционального параметра исследуемого материала или элемента при внешнем импульсном воздействии.
Настоящий способ реализуется устройством, которое представлено на фиг.2. Устройство включает в себя фемтосекундный лазер 1, импульс с которого попадает на первое зеркало 2 и от него луч перемещается отражением по системе зеркал 3, пока не попадает на последнее зеркало 4, от которого лазерный луч попадает на исследуемый объект 5. С фемтосекундным лазером 1 синхронно связано включение генератора импульсов 6, который используется в качестве источника возбуждения повторяющегося исследуемого процесса (например, электрическим полем возбуждается свечение полупроводника в интегральной схеме или поляризация сегнетоэлектрика) в исследуемом объекте. Фиксация процесса в объекте осуществляется, например, фотодетектором 7. Так как сам процесс отражается в изменении его физического состояния, то есть свечения в данном случае, то изменение состояния свечения фиксируется фотодетектором 7 и может быть представлено в виде графика, показанного на фиг.3.
Особенностью данного устройства является то, что зеркала 3 и 4 и система зеркал между ними смонтированы на механической платформе, позволяющей изменять положение зеркал относительно друг друга (расстояния между зеркалами, углы их наклона), благодаря чему появляется возможность изменять и регулировать время попадания лазерного импульса в процесс путем формирования временной задержки (увеличение или уменьшение пути и времени прохождения лазерного луча).
Настоящий способ позволяет проводить оптическую регистрацию быстропротекающих процессов в диапазоне и во времени протекания самого процесса в элементах интегральных схем и/или функциональных материалах за счет формирования регулируемой по времени задержки времени попадания импульсного луча лазера в тело объекта, в котором сформирован сам процесс и который является объектом реагирования на изменения непосредственно в объекте.
Способ позволяет независимо от конструкции исследуемого объекта и типа искусственно сформированного в нем процесса получать точную информацию о сути проходящего в самом объекте действия и получать информацию о начале и прекращении этого действия. Точность контроля обусловлена возможностью подстройки момента попадания лазерного луча в объект.
Настоящее изобретение промышленно применимо и может найти применение в области диагностики быстропротекающих процессов в элементах интегральных схем и/или сегнетоэлектрическнх материалах и при проведении научных исследований по оценке результатов разработки новых интегральных схем и/или сегнетоэлектрических материалов.