CN103712687A - 一种基于光载流子辐射技术的高功率紫外激光光束特性测量记录方法 - Google Patents

一种基于光载流子辐射技术的高功率紫外激光光束特性测量记录方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于光载流子辐射技术的高功率紫外激光光束特性测量记录方法，其特征在于：紫外激光光束照射到掺杂半导体材料表面产生激光退火效应，使得半导体材料由于掺杂引起的损伤得到修复，其修复程度的二维分布与激光束的光强分布有关。通过光载流子辐射技术测量掺杂半导体材料损伤修复情况的二维分布，经标定即可获得紫外激光光束的二维光强分布。本发明优点在于：本发明可以直接永久记录高功率紫外激光光束特性；本发明可以通过简单标定和数据处理即可获得高功率紫外激光光束特性。

Description

一种基于光载流子辐射技术的高功率紫外激光光束特性测量记录方法
技术领域
本发明涉及紫外激光光束特性测量记录的技术领域，具体涉及一种基于光载流子辐射技术的高功率紫外激光光束特性测量记录方法。
背景技术
随着高功率紫外激光器的发展，其在医学、工业和军事等领域的应用越来越广泛。目前对紫外激光光束特性进行测量的方法主要有两种：直接测量和间接测量。直接测量采用对紫外激光响应的紫外成像器件进行成像；间接测量需要先将激光器输出的紫外光信号转换成常规波段光信号，然后采用常规波段的光成像器件对其成像。对于高功率紫外激光光束特性测量，采用上述两种方法进行测量时，为了避免对检测器件造成损伤，常需要光束取样器件和衰减器对高功率紫外激光光束进行采样和衰减。由于光学器件存在非线性响应和波前误差，增加了激光光束分布特性的测量误差。
掺杂半导体材料是目前半导体制造产业中的常用材料，其成本低，制作技术成熟，在紫外激光光束照射下，掺杂引起的电损伤会在不同强度激光退火作用下得到不同程度的修复，其修复情况的二维分布与激光束的二维光强分布有关，利用该特性可直接永久记录紫外激光光束分布特性。光载流子辐射技术(A.Mandelis,J.Batista,and D.Shaughnessy,Infraredphotocarrier radiometry of semiconductors:Physical principles,quantitative depth profilometry,and scanning imaging of deep subsurface electronic defects,Phys.Rev.B.67,205208(2003))主要用于半导体材料输运特性的测量和掺杂浓度以及掺杂均匀性的检测，由于信号强度随掺杂浓度单调变化，有利于定标，利用该技术测量得到掺杂半导体材料损伤修复情况的二维分布，经标定即可获得紫外激光光束的二维光强分布。
发明内容
本发明要解决的技术问题为：克服现有技术的不足，提供一种基于光载流子辐射技术的高功率紫外激光光束特性测量记录方法。由于掺杂半导体材料在紫外激光照射下产生退火效应使得半导体材料由于掺杂引起的损伤得到修复，其修复程度的二维分布与激光束的光强分布有关，使得紫外激光光束的二维光强分布在掺杂半导体材料中得到记录；通过光载流子辐射技术测量得到掺杂半导体材料损伤修复情况的二维分布，经标定即可获得紫外激光光束的二维光强分布。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于光载流子辐射技术的高功率紫外激光光束特性测量记录方法，其基本测量/记录过程包括：
步骤（1）、被测高功率紫外激光光束直接照射到掺杂半导体材料表面，以记录紫外激光光束二维光强分布；
步骤（2）、利用光载流子辐射技术对照射区域进行成像，通过标定获得紫外激光光束的二维光强分布；
所述的对照射区域进行成像的光载流子辐射技术可采用光电探测器进行扫描式成像或通过InGaAs红外相机直接成像，得到光载流子辐射信号二维强度分布S(x,y)。
所述的标定过程即根据光载流子辐射信号强度分布S(x,y)及入射紫外光能量分布E(x,y)与光载流子辐射信号强度分布S(x,y)的关系E(x,y)=f(S(x,y))，计算得到紫外激光光束二维光强分布E(x,y)。
所述的入射紫外激光能量与光载流子辐射信号强度的关系E(x,y)=f(S(x,y))可通过改变入射到掺杂半导体材料表面的紫外激光总能量E，得到不同入射激光总能量时光载流子辐射信号总强度S，绘制S-E曲线拟合得到。
其中，通过选择合适的掺杂半导体材料和合适的光载流子辐射测量过程中的激励光波长和调制频率等参数，提高紫外激光光束特性测量精度。
其中，所述的掺杂半导体材料的掺杂非均匀性引起的测量误差可通过数据处理方法消除。
其中，当紫外激光波长低于200nm时，整个记录过程在密封的高纯氮气环境下进行，以避免空气吸收和散射等因素对高功率紫外激光光束特性记录和测量的影响。
本发明的原理是：
紫外激光光束照射到掺杂半导体材料表面，其光能通过电磁相互作用被半导体材料吸收。当吸收的激光能量低于半导体材料的熔融阈值时，半导体材料通过固相外延再结晶，从而使得离子注入引起的晶格损伤得到一定程度的修复，其修复程度的二维分布与激光束的光强分布有关，而通过光载流子辐射技术测量得到掺杂半导体材料损伤修复情况的二维分布，经标定即可获得紫外激光光束的二维光强分布。
本发明提供的一种基于光载流子辐射技术的高功率紫外激光光束特性记录方法具有以下优点：
（1）、本发明可以直接永久记录高功率紫外激光光束特性；
（2）、本发明可以通过简单标定和数据处理即可获得高功率紫外激光光束特性。
附图说明
图1为采用CCD相机测量得到的准分子激光器输出光束二维光强分布，箭头为光载流子辐射测量过程中激励光束的扫描路径；
图2给出了沿图1标示的扫描路径测量得到的光载流子辐射信号的强度分布和相应的CCD相机测量结果；
图3为光载流子辐射信号总强度与入射紫外激光总能量的归一化关系曲线。
具体实施方式
结合附图对本发明作进一步的详细阐述，掺杂半导体材料为As+注入单晶硅基底材料，注入能量1keV,注入剂量1×1015cm-2，将193nm ArF准分子激光光束照射到掺杂半导体样品表面，其光能通过电磁相互作用被半导体材料吸收，由于吸收的激光能量低于半导体材料的熔融阈值，半导体材料通过固相外延再结晶，从而使得离子注入引起的晶格损伤得到一定程度的修复，掺杂引起的损伤因退火效应得到修复，其修复程度的二维分布与激光束的光强分布有关，此时准分子激光光束二维光强分布被掺杂半导体材料所记录。
为了验证掺杂半导体材料对准分子激光光束特性的记录质量，采用光载流子辐射技术对掺杂半导体材料记录光束特性区域进行测量，并与CCD相机测量结果进行比较。测量中方波（或其它波形）调制激励光束由405nm半导体激光器（输出功率为53mW）产生并经反射和聚焦后照射到掺杂半导体材料紫外激光光束特性记录区域，半导体材料因吸收强度周期调制的聚焦激励光束能量在被照射处产生周期性变化的载流子密度波场，载流子经辐射复合产生红外辐射信号，即光载流子辐射信号，经InP/InGaAs光电倍增管探测器（PMT，其探测波长范围为0.95-1.7μm）收集探测后通过锁相放大器解调获得光载流子辐射信号的振幅和/或相位信号，整个区域的二维扫描可以通过计算机自动调节二维精密位移平台实现。图1为采用CCD相机测量得到的准分子激光器输出光束二维光强分布，箭头为光载流子辐射测量过程中激励光束的扫描路径；图2给出了沿图1标示的扫描路径测量得到的光载流子辐射信号的强度分布和采用CCD相机测量得到的光强分布，可以看出光载流子辐射信号强度强烈依赖于准分子激光光束的光强分布，因此可以对准分子激光光束的光强分布进行精确记录。
进一步通过光载流子辐射信号的二维强度分布得到准分子激光光束二维强度分布，需要对整个紫外激光光束记录区域进行二维成像并通过准分子激光光束能量E(x,y)与光载流子辐射信号强度S(x,y)的关系E(x,y)=f(S(x,y))进行标定。前者可通过二维扫描或红外相机进行二维成像，后者可通过调节入射到掺杂半导体材料表面的激光总能量E，得到不同入射激光总能量时光载流子辐射信号总强度S，绘制S-E曲线得到，结果如图3所示，光载流子辐射信号强度随激光能量单调增加，最后通过此关系进行计算得到准分子激光束的二维光强分布。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (4)

1.一种基于光载流子辐射技术的高功率紫外激光光束特性测量记录方法，其基本测量/记录过程包括：
步骤（1）、被测高功率紫外激光光束直接照射到掺杂半导体材料表面，以记录紫外激光光束二维光强分布；
步骤（2）、利用光载流子辐射技术对照射区域进行成像，通过标定获得紫外激光光束的二维光强分布；
所述的对照射区域进行成像的光载流子辐射技术可采用光电探测器进行扫描式成像或通过InGaAs红外相机直接成像，得到光载流子辐射信号二维强度分布S(x,y)；
所述的标定过程即根据光载流子辐射信号强度分布S(x,y)及入射紫外光能量分布E(x,y)与光载流子辐射信号强度分布S(x,y)的关系E(x,y)=f(S(x,y))，计算得到紫外激光光束二维光强分布E(x,y)；
所述的入射紫外激光能量与光载流子辐射信号强度的关系E(x,y)=f(S(x,y))可通过改变入射到掺杂半导体材料表面的紫外激光总能量E，得到不同入射激光总能量时光载流子辐射信号总强度S，绘制S-E曲线拟合得到。
2.根据权利要求1所述的基于光载流子辐射技术的高功率紫外激光光束特性测量记录方法，其特征在于：通过选择合适的掺杂半导体材料和合适的光载流子辐射测量过程中的激励光波长和调制频率等参数，提高紫外激光光束特性测量精度。
3.根据权利要求1所述的基于光载流子辐射技术的高功率紫外激光光束特性测量记录方法，其特征在于：所述的掺杂半导体材料的掺杂非均匀性引起的测量误差可通过数据处理方法消除。
4.根据权利要求1所述的基于光载流子辐射技术的高功率紫外激光光束特性测量记录方法，其特征在于：当紫外激光波长低于200nm时，整个记录过程在密封的高纯氮气环境下进行，以避免空气吸收和散射等因素对高功率紫外激光光束特性记录和测量的影响。
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