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