一種基于光載流子輻射技術的高功率紫外激光光束特性測量記錄方法
【專利摘要】本發明提供一種基于光載流子輻射技術的高功率紫外激光光束特性測量記錄方法，其特征在于：紫外激光光束照射到摻雜半導體材料表面產生激光退火效應，使得半導體材料由于摻雜引起的損傷得到修復，其修復程度的二維分布與激光束的光強分布有關。通過光載流子輻射技術測量摻雜半導體材料損傷修復情況的二維分布，經標定即可獲得紫外激光光束的二維光強分布。本發明優點在于：本發明可以直接永久記錄高功率紫外激光光束特性；本發明可以通過簡單標定和數據處理即可獲得高功率紫外激光光束特性。
【專利說明】一種基于光載流子輻射技術的高功率紫外激光光束特性測量記錄方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及紫外激光光束特性測量記錄的【技術領域】，具體涉及一種基于光載流子輻射技術的高功率紫外激光光束特性測量記錄方法。
【背景技術】
[0002]隨著高功率紫外激光器的發展，其在醫學、工業和軍事等領域的應用越來越廣泛。目前對紫外激光光束特性進行測量的方法主要有兩種:直接測量和間接測量。直接測量采用對紫外激光響應的紫外成像器件進行成像；間接測量需要先將激光器輸出的紫外光信號轉換成常規波段光信號，然后采用常規波段的光成像器件對其成像。對于高功率紫外激光光束特性測量，采用上述兩種方法進行測量時，為了避免對檢測器件造成損傷，常需要光束取樣器件和衰減器對高功率紫外激光光束進行采樣和衰減。由于光學器件存在非線性響應和波前誤差，增加了激光光束分布特性的測量誤差。
[0003]摻雜半導體材料是目前半導體制造產業中的常用材料，其成本低，制作技術成熟，在紫外激光光束照射下，摻雜引起的電損傷會在不同強度激光退火作用下得到不同程度的修復，其修復情況的二維分布與激光束的二維光強分布有關，利用該特性可直接永久記錄紫外激光光束分布特性。光載流子福射技術(A.Mandelis, J.Batista, andD.Shaughnessy, Infrared photocarrier radiometry of semiconductors:Physicalprinciples, quantitative depth profilometry,and scanning imaging of deepsubsurface electronic defects, Phys.Rev.B.67, 205208 (2003))主要用于半導體材料輸運特性的測量和摻雜濃度以及摻雜均勻性的檢測，由于信號強度隨摻雜濃度單調變化，有利于定標，利用該技術測量得到摻雜半導體材料損傷修復情況的二維分布，經標定即可獲得紫外激光光束的二維光強分布。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題為:克服現有技術的不足，提供一種基于光載流子輻射技術的高功率紫外激光光束特性測量記錄方法。由于摻雜半導體材料在紫外激光照射下產生退火效應使得半導體材料由于摻雜引起的損傷得到修復，其修復程度的二維分布與激光束的光強分布有關，使得紫外激光光束的二維光強分布在摻雜半導體材料中得到記錄；通過光載流子輻射技術測量得到摻雜半導體材料損傷修復情況的二維分布，經標定即可獲得紫外激光光束的二維光強分布。
[0005]本發明解決上述技術問題采用的技術方案為:一種基于光載流子輻射技術的高功率紫外激光光束特性測量記錄方法，其基本測量/記錄過程包括:
[0006]步驟(I)、被測高功率紫外激光光束直接照射到摻雜半導體材料表面，以記錄紫外激光光束二維光強分布；
[0007]步驟(2)、利用光載流子輻射技術對照射區域進行成像，通過標定獲得紫外激光光束的二維光強分布；
[0008]所述的對照射區域進行成像的光載流子輻射技術可采用光電探測器進行掃描式成像或通過InGaAs紅外相機直接成像，得到光載流子輻射信號二維強度分布S (x，y)。
[0009]所述的標定過程即根據光載流子輻射信號強度分布S (X，y)及入射紫外光能量分布E (χ, y)與光載流子福射信號強度分布S (χ, y)的關系E (x, y) =f (S (x, y)),計算得到紫外激光光束二維光強分布E (x, y)。
[0010]所述的入射紫外激光能量與光載流子輻射信號強度的關系E(x，y)=f(S(x, y))可通過改變入射到摻雜半導體材料表面的紫外激光總能量E，得到不同入射激光總能量時光載流子輻射信號總強度S，繪制S-E曲線擬合得到。
[0011]其中，通過選擇合適的摻雜半導體材料和合適的光載流子輻射測量過程中的激勵光波長和調制頻率等參數，提高紫外激光光束特性測量精度。
[0012]其中，所述的摻雜半導體材料的摻雜非均勻性引起的測量誤差可通過數據處理方法消除。
[0013]其中，當紫外激光波長低于200nm時，整個記錄過程在密封的高純氮氣環境下進行，以避免空氣吸收和散射等因素對高功率紫外激光光束特性記錄和測量的影響。
[0014]本發明的原理是:
[0015]紫外激光光束照射到摻雜半導體材料表面，其光能通過電磁相互作用被半導體材料吸收。當吸收的激光能量低于半導體材料的熔融閾值時，半導體材料通過固相外延再結晶，從而使得離子注入引起的晶格損傷得到一定程度的修復，其修復程度的二維分布與激光束的光強分布有關，而通過光載流子輻射技術測量得到摻雜半導體材料損傷修復情況的二維分布，經標定即可獲得紫外激光光束的二維光強分布。
[0016]本發明提供的一種基于光載流子輻射技術的高功率紫外激光光束特性記錄方法具有以下優點:
[0017](I)、本發明可以直接永久記錄高功率紫外激光光束特性；
[0018](2)、本發明可以通過簡單標定和數據處理即可獲得高功率紫外激光光束特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0019]圖1為采用CCD相機測量得到的準分子激光器輸出光束二維光強分布，箭頭為光載流子輻射測量過程中激勵光束的掃描路徑；
[0020]圖2給出了沿圖1標示的掃描路徑測量得到的光載流子輻射信號的強度分布和相應的CCD相機測量結果；
[0021]圖3為光載流子輻射信號總強度與入射紫外激光總能量的歸一化關系曲線。【具體實施方式】
[0022]結合附圖對本發明作進一步的詳細闡述，摻雜半導體材料為As+注入單晶硅基底材料，注入能量IkeV，注入劑量I XlO15CnT2Jf 193nm ArF準分子激光光束照射到摻雜半導體樣品表面，其光能通過電磁相互作用被半導體材料吸收，由于吸收的激光能量低于半導體材料的熔融閾值，半導體材料通過固相外延再結晶，從而使得離子注入引起的晶格損傷得到一定程度的修復，摻雜引起的損傷因退火效應得到修復，其修復程度的二維分布與激光束的光強分布有關，此時準分子激光光束二維光強分布被摻雜半導體材料所記錄。
[0023]為了驗證摻雜半導體材料對準分子激光光束特性的記錄質量，采用光載流子輻射技術對摻雜半導體材料記錄光束特性區域進行測量，并與CCD相機測量結果進行比較。測量中方波(或其它波形)調制激勵光束由405nm半導體激光器(輸出功率為53mW)產生并經反射和聚焦后照射到摻雜半導體材料紫外激光光束特性記錄區域，半導體材料因吸收強度周期調制的聚焦激勵光束能量在被照射處產生周期性變化的載流子密度波場，載流子經輻射復合產生紅外輻射信號，即光載流子輻射信號，經InP/InGaAs光電倍增管探測器(PMT，其探測波長范圍為0.95-1.7 μ m)收集探測后通過鎖相放大器解調獲得光載流子輻射信號的振幅和/或相位信號，整個區域的二維掃描可以通過計算機自動調節二維精密位移平臺實現。圖1為采用CCD相機測量得到的準分子激光器輸出光束二維光強分布，箭頭為光載流子輻射測量過程中激勵光束的掃描路徑；圖2給出了沿圖1標示的掃描路徑測量得到的光載流子輻射信號的強度分布和采用CCD相機測量得到的光強分布，可以看出光載流子輻射信號強度強烈依賴于準分子激光光束的光強分布，因此可以對準分子激光光束的光強分布進行精確記錄。
[0024]進一步通過光載流子輻射信號的二維強度分布得到準分子激光光束二維強度分布，需要對整個紫外激光光束記錄區域進行二維成像并通過準分子激光光束能量E (X，y)與光載流子輻射信號強度S (x，y) 的關系E(X，y)=f(S(X，y))進行標定。前者可通過二維掃描或紅外相機進行二維成像，后者可通過調節入射到摻雜半導體材料表面的激光總能量E，得到不同入射激光總能量時光載流子輻射信號總強度S，繪制S-E曲線得到，結果如圖3所示，光載流子輻射信號強度隨激光能量單調增加，最后通過此關系進行計算得到準分子激光束的二維光強分布。
[0025]本發明未詳細公開的部分屬于本領域的公知技術。
[0026]盡管上面對本發明說明性的【具體實施方式】進行了描述，以便于本【技術領域】的技術人員理解本發明，但應該清楚，本發明不限于【具體實施方式】的范圍，對本【技術領域】的普通技術人員來講，只要各種變化在所附的權利要求限定和確定的本發明的精神和范圍內，這些變化是顯而易見的，一切利用本發明構思的發明創造均在保護之列。
【權利要求】
1.一種基于光載流子輻射技術的高功率紫外激光光束特性測量記錄方法，其基本測量/記錄過程包括: 步驟(I )、被測高功率紫外激光光束直接照射到摻雜半導體材料表面，以記錄紫外激光光束二維光強分布； 步驟(2)、利用光載流子輻射技術對照射區域進行成像，通過標定獲得紫外激光光束的二維光強分布； 所述的對照射區域進行成像的光載流子輻射技術可采用光電探測器進行掃描式成像或通過InGaAs紅外相機直接成像，得到光載流子輻射信號二維強度分布S (x，y)； 所述的標定過程即根據光載流子輻射信號強度分布S(x，y)及入射紫外光能量分布E (χ, y)與光載流子福射信號強度分布S (χ, y)的關系E (x, y) =f (S (x, y)),計算得到紫外激光光束二維光強分布E (x, y)； 所述的入射紫外激光能量與光載流子輻射信號強度的關系E (X，y)=f(S(x, y))可通過改變入射到摻雜半導體材料表面的紫外激光總能量E，得到不同入射激光總能量時光載流子輻射信號總強度S，繪制S-E曲線擬合得到。
2.根據權利要求1所述的基于光載流子輻射技術的高功率紫外激光光束特性測量記錄方法，其特征在于:通過選擇合適的摻雜半導體材料和合適的光載流子輻射測量過程中的激勵光波長和調制頻率等參數，提高紫外激光光束特性測量精度。
3.根據權利要求1所述的基于光載流子輻射技術的高功率紫外激光光束特性測量記錄方法，其特征在于:所述的摻雜半導體材料的摻雜非均勻性引起的測量誤差可通過數據處理方法消除。
4.根據權利要求1所述的基于光載流子輻射技術的高功率紫外激光光束特性測量記錄方法，其特征在于:當紫外激光波長低于200nm時，整個記錄過程在密封的高純氮氣環境下進行，以避免空氣吸收和散射等因素對高功率紫外激光光束特性記錄和測量的影響。
【文檔編號】G01J1/42GK103712687SQ201410004908
【公開日】2014年4月9日 申請日期:2014年1月6日 優先權日:2014年1月6日
【發明者】李斌成, 王謙 申請人:中國科學院光電技術研究所