Upload
mada-drnn
View
23
Download
3
Embed Size (px)
Citation preview
Analiza spaţio-temporală a unei plasme de ablaţie prin metode optice
Ş.Irimiciuc1, O.Pompilian
2, C.Focşa
2, I. Mihaila
1, I. Rusu
1
1Facultatea de Fizică, Universitatea Al.I.Cuza, Blvd. Carol I, Nr. 11, 700506-Iasi, Romania
2Centre d’Etudes et de Recherches Lasers et Application ,Université des Sciences et Technologies de
Lille, 59655 Villeneuve d’Ascq cedex, France
1. Introducere
În ultima perioadă s-au dezvoltat diverse aplicaţii
ale procesului de ablaţie laser precum depuneri de straturi
subţiri, gravuri, paternări sau analize de materiale. Ablaţia
laser implică o multitudine de fenomene, de la
interacţiunea radiaţiei laser cu materialul ţintă până la
interacţiunile electrice din interiorul plasmei formate [1-
16]. Pentru a avea un control mai bun asupra acestor
aplicaţii s-au dezvoltat mai multe metode de investigare
(atât optice cât şi electrice) a acestui fenomen.
În prezentul studiu este prezentată analiza
spaţio-temporală prin metode optice a plasmei de ablaţie
laser.
2. Instalaţia experimentală
În figura 1 este reprezantată schematic instalaţia
experimentală pentru investigarea prin metode optice a
plasmei de ablaţie laser. Pentru producerea plasmei de
ablaţie a fost folosită a doua armonică (λ=532 nm) a unui
laser Nd:YAG pulsat (durata pulsului de 10 ns). Radiaţia
laser a fost focalizată, cu ajutorul unei lentile cu distanţa
focală de 25 cm, pe o ţintă din mangan plastă într-o
incintă vidată pînă la o presiune limită de 7x10-6torr (cu
ajutorul unei pompe turbomoleculare). Energia pulsui
laser a fost variată între 5-45 mJ.
Fig. 1. Reprezentarea schematică a instalaţiei
experimentale
Formarea şi evoluṭia plumei a fost studiată cu
ajutorul unei camere ultra rapide ( PI MAX 576 x 384).
Camera a fost plasată perpendicular pe direcţia de
expansiune a plasmei.
Pentru analiza spaţială a plasmei de ablaţie laser în
incintă a fost introdusă o fantă fixă (1 mm lăţime şi 5 mm
înălţime) şi a fost deplasat sistemul ţintă-lentilă de
focalizare (Fig. 1) în raport cu această fantă. Radiaţia
emisă de plasma de ablaţie şi selectată cu ajutorul fantei
este trimisă într-un monocromator care are ca detector un
fotomultiplicator rapid (Hamamatsu), cu timp de răspuns
de 1 ns. Datele obţinute au fost fost prelucrate ulterior cu
ajutorul programului WinSpec.
3. Rezultate şi discuţii
3.1 Măsurători cu camera ultrarapidă
În figura 2 sunt prezentate imagini achiziţionate
cu ajutorul cameri ultra rapide la diferite întărzieri faţa de
momentul de emisie a pulsului laser, pentru o energie de
35 mJ pe puls. Cu ajutorul acestor imagini putem
evidenţia evoluţia spaţio-temporală a plasmei de ablaţie
laser.
Fig. 2. Evoluţia spaţio-temporală a plasmei de ablaţie laser
pentru o energie apulsului laser de 35 mJ.
Din analiza imaginilor se observă apariţia a două
structuri ce se devoltă la momente de timp diferite şi au
viteze de expansiune diferite. Acest fenomen a fost
observat şi pentru alte materiale ale ţintei: Al[15],
inox[16].
Din prelucrarea imaginilor au fost estimate vitezele
de expansiune a celor două structuri (poziţia unde
intensitatea luminoasă a celor două structuri este maximă
la diferite momente de timp) obţinându-se o viteza de 46
km/s pentru prima structură şi o viteză de 6,25 km/s
pentru cea de a doua structură.
3.2 Măsurători spectrale
În figura 3 este prezentat spectrul global de emisie a
plasmei de ablaţie laser.
După cum se poate observa din acest spectru au fost
puse în evidenţă linii spectrale corespunzătoare atît
atomului de mangan cât şi a ionului de mangan.
25 ns
65 ns
105 ns
145 ns
185 ns
265 ns
345 ns
425 ns
505 ns
565 ns
705 ns
865 ns
1025 ns
_____________________________________________________________________________________________________ 63
Cercuri studenţeşti
În figura 4.a este prezentată evoluţia
spaţio-temporală a maximului intensităţii liniei spectrale
478,34 nm corespunzătoare atomului de mangan şi în
figura 4.b a liniei 347,4 nm corespunzătoare ionului de
mangan pentru o energie a pulsului laser de 35 mJ.
Fig.3. Spectrul global de emisie a plasmei de ablaţie laser
(energia pluslui laser 35 mJ)
Evoluţiile celorlate linii spectrale, atît a neutrului cât şi a
ionului de mangan, sunt similare cu cele prezentate în
figura 4. După cum se poate observa, ionul de mangan
prezintă maxime ale intensităţii liniei spectrale la
momente de timp de până la 250 ns faţa de momentul
iradierii ţinei cu radiaţia laser, pe când neutrul de mangan
prezintă maxime începând cu 250 ns şi până la 1000 de ns,
în funcţie de distanţa faţa de ţintă.
a)
b)
Fig. 4. Evoluţia spaţio-temporală a maximului intensităţii
linilor spectrale pentru atomul (478,34 nm) (a) şi ionul
(347,4 nm) (b) de mangan pentru o energie a pulsului
laser de 35 mJ.
Din evoluţia spaţio-temporală a maximului
intensităţii liniei spectrale corespunzătoare atomului
neutru şi a ionului de mangan s-au estimat vitezele de
expansiune ale acestora. Pentru neutrul de mangan a fost
estimată o viteză de expansiune de 9,5 km/s iar pentru
ionul de mangan de 28,1 km/s.
Corelând aceste viteze cu cele estimate prin
prelucrarea imaginilor obţinute cu camera ultra rapidă se
poate presupune ca prima structură (cu viteza estimată de
46 km/s) este compusă preponderent din ioni (viteză
estimată de 28,1 km/s) iar cea de a doua structura (6,25
km/s) în principal din neutri (9,5 km/s).
Din intensităţile globale ale liniilor spectrale
achizitionate, ţinând cont de ecuaţia pentru intensitatea
liniilor spectrale:
𝐼 =𝐴𝑘𝑖
𝜆𝑔𝑘
𝑛0
𝑍(𝑇)𝑒−
𝐸𝑘𝑘𝑇
(unde I reprezintă intensitatea liniei spectrale, Aki –
probabilitatea de tranziţie, gk – gradul de despicare a liniei
spectrale, Z(T) – funcţia de partiţie, Ek – energia nivelului,
T – temperatura electronilor, n0 – densitatea de particule,
– lungimea de undă) şi făcând diferenţa dintre două linii
spectrale şi logaritmând această diferentă se poate estima
temperatura electronilor (în eV) din plasma de ablaţie
laser folosind următoarea formulă:
𝑇 =−𝛥𝐸(𝑒𝑉)
𝑙𝑛𝐴1𝐴2
𝑔1
𝑔2 𝜆2𝜆1
− 𝑙𝑛𝐼1𝐼2
Ţinând cont de cele de mai sus a fost estimată o
temperatura a electronilor de 0,9 eV.
3.3 Evoluţiile parametrilor investigaţi cu energia pulsului
laser
Evoluţia tempereturii electronilor cu energia
pulsului laser este prezentată în figura 5.
0 10 20 30 40 500.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
Te (
eV
)
Energia pulsului laser (mJ)
Fig. 5. Evoluţia temperaturii electronilor cu energia
pulsului laser
După cum se poate observa din figura 5,
temperatura electronilor la creşterea energiei pulsului laser
de la 5 mJ la 45 mJ, este aproximativ constantă în jurul
valorii de 1 eV (variază uşor de la 0.9 eV la 1 eV).
În figura 6 este reprezentată variaţia intensităţilor
liniilor spectrale 478,4 nm (atomul de mangan) şi 347,4
nm (ionul de mangan) cu creşterea energiei pulsului laser.
După cum se observă din figură odată cu creşterea enegiei
radiaţiei incidente pe ţintă creşte şi intensitatea liniilor
300 350 400 450 5000
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
I (a
.u.)
(nm)
Spectrul total de emisie
E = 35 mJ3
47
,40
nm
(M
nII
)
348,2
9 n
m (
MnII)
348,8
6 n
m (
MnII))
353,1
8 n
m (
MnI)
354,7
8 n
m (
MnI)
354,9
4 n
m (
MnI)
445,5
1nm
(M
nI)
445,7
5 n
m (
MnI)
445,8
2 n
m (
MnI)
446,1
9 n
m (
MnI)
475,4
nm
(M
nI)
47
8,3
4 n
m (
Mn
I)
482,3
5 n
m (
MnI)
0 500 1000 15000.0
5.0x105
1.0x106
1.5x106
2.0x106
2.5x106
87
65
43
210
0,5mm
0,85mm
1,2mm
1,55mm
1,91mm
2,25mm
2,6mm
2,96mm
3,22mm
4,73mm
6,04mm
7,55mmI(a
.u.)
d(m
m)
t (ns)
0 100 200 300 400 500
0.0
5.0x105
1.0x106
1.5x106
2.0x106
2.5x106
5
4
3
210
I (a
.u.)
d (
mm
)
t (ns)
0,5mm
0,85mm
1,2mm
1,55mm
1,91mm
2,25mm
2,6mm
2,96mm
3,22mm
4,02mm
4,73mm
Cercuri studenţeşti
_____________________________________________________________________________________________________ 64
spectrale. Ţinând cont de formula pentru intensitatea linei
spectrale si de faptul ca temperatura electronilor este
constanta, putem considera că variaţia intensităţii liniilor
spectrale este dată doar de variaţia densităţii particulelor.
Prin urmare, odată cu creşterea energiei pulsului laser
creşte şi cantitatea de material (atât neutri cât şi ioni) ablat
din ţintă.
0 10 20 30 40 50
5000
10000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
I(a
.u.)
Energia pulsului laser (mJ)
Mn I (478,4 nm)
Mn II (347,4 nm)
Fig. 6. Evoluţia intensităţilor liniilor spectrale 478,4 nm
(atomul de mangan) şi 347,4 nm (ionul de mangan) cu
energia pulsului laser
În figura 7 este prezentată variaţia vitezei de expansiune
pentru atomul neutru si ionul de mangan cu creşterea
energiei laser.
0 10 20 30 40 500
5
10
15
20
25
30
35
v(k
m/s
)
Energia pulsului laser (mJ)
Mn I (478,34 nm)
Mn II (347,4 nm)
Fig. 7. Variaţia vitezei de expansiune pentru atomul
neutru (478,4 nm) şi ionul (347,4nm) de mangan cu
energia pulsului laser
0 10 20 30 40 50
0
2
4
6
8
10
45
50
55
60
v (
km
/s)
prima structura
a doua structura
Energia pulsului laser (mJ)
Fig. 8. Variaţia vitezei de expansiune a celor doua
structuri deplasmă cu energia pulsului laser
Valorile vitezelor de expansiune estimate din variaţia
maximului intensităţii liniilor spectrale pentru atomul şi
ionul de mangan sunt în bună concordanţă cu valorile
vitezelor de expansiune a celor două structuri de plasmă
estimate din imaginile achiziţionate cu camera ultra rapidă
(figura 8).
4. Concluzii
Măsuratorile efectuate cu camera ultra rapidă au
relevat existenţa a doua structuri în plasmă de ablaţie
laser a unei ţinte de mangan ceea ce este în concordanţă
cu cercetările anterioare pe diferite materiale ale ţintei.
Din măsurătorile spectrale s-au calculat vitezele de
expansiune atât pentru atomul neutru cât şi pentru ionul de
mangan şi s-a reuşit o estimare a temperaturii electronilor
din plasma de ablaţie.
În acelaşi timp măsuratorile cu camera ultra rapidă
au permis o estimare a vitezei de expansiune a celor două
structuri de plasmă observate, care corelate cu vitezele de
expansiune ale atomului neutru şi a ionul de mangan
conduc la ideea ca prima structură este formată din ioni si
are o viteză de expansiune mai mare decat cea de a doua
structură care este formată preponderent din particule
neutre.
Creşterea energiei laserului se va reflecta în
numărul de particule ablate fapt ce reiese din creşterea
intensităţii liniilor spectrale.
Temperatura electronilor rămâne aproximativ
constantă cu creşterea energiei radiaţiei laserului
Bibliografie
[1]. Peterlongo A, Miotello A and Kelly R 1994 Phys.
Rev. E 50 4716
[2]. Jordan R and Lunney J G 1998 Appl. Surf. Sci. 127–
129 968
[3]. Chang J J and Warner B E 1996 Appl. Phys. Lett. 69
473
[4]. Amoruso S, Sambri A, Vitiello M and Wang X 2006
Appl. Surf. Sci. 252 4712
[5]. Amoruso S,.Sambri A and Wang X 2006 J. Appl.
Phys. 100 013302
[6]. Hermann J, Boulmer-Leborgne C and Hong D J.
1998 Appl. Phys. 83 691
[7]. Amoruso S, Bruzzese R, Velotta R, Spinelli N,
Vitiello M and Wang X 2005 Appl. Surf. Sci. 248 45
[8]. Amoruso S, Armenante M, Berardi V, Bruzzese R,
Pica G and Velotta R 1996 Appl. Surf. Sci. 106 507
[9]. Lunney J G, Doggett B and Kaufman Y 2007
Journal of Physics: Conference Series 59 470
[10]. Hansen T N, Schou J and Lunney J G 1999 Appl.
Phys. A (Suppl.) 69 S601-4
[11]. Hendron J M, Mahony C M O, Morrow T and
Graham W G 1997 J. Appl. Phys. 81 2131
[12]. Gurlui S, Sanduloviciu M, 2006 AIP Conf. Proc. 812
279
[13]. Gurlui S. Sanduloviciu M, Strat M, Strat G, Mihesan
C, Ziskind M and Focsa C 2006 J. Optoelectron.
Adv. Mat. 8 148
[14]. Gurlui S, Agop M, Nica P, Ziskind M and Focsa C
2008 Phys. Rev. E, 78, 026405 (2008)
[15]. Ursu C, Gurlui S, Focsa C, Popa G., 2008 Nucl.
Instrum. Meth. B 267, 446 (2009)
[16]. Mihaila I, Ursu C, Gegiuc A, Popa G, J. Phys.:
Cercuri studenţeşti
Conf. Ser. 207 (2010) 012005
_____________________________________________________________________________________________________ 65